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~~~

.CONTEe

NORMA TECNICA

COLOMBIANA

NTC

4552-1

2008-11-26

PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS

ATMOSFERICAS (RAVOS).

PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES

E: PROTECTION AGAINST LIGHTNING. PART 1: GENERALPRINCIPLES

CORRESPONDENCIA: esta norma es modificada (MOD) dela norma IEC 62305-12006.

DESCRIPTORES: descarga electrica atrnosferica,protsccion contra rayo, nivel deproteccion contra rayo, zona deproteccion contra rayo.

I.C.S.: 91.120.40

Editada por el lnsf ituto Colombia no de Normas Tecnicas y Certificac.on (ICONTEC)Apartado 14237 Bogota, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435

Prohibida su reproducci6n Editada 2008-12-10

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© ICONTEC 20D8

Reservados todos los oerechos, Ninguna parte de esta publlcaclon

puede ser reproducida 0 utifizada en cualquiar forma 0 por cualquier

medio, elsctrornco 0 mecanico incluyendo fotocopiado y rnlcrofllmacion,

s in perrn iso porescri to del edi to r.

Inst it uto Colombiano d~ Normas Tecnicas y Certiflcacion, ICONTEe

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PROLOGO

EI Instituto Golombiano de Normas Tecnicas y Certiflcacion, ICONTEC, es el organismo

nacional de normalizacion, sequn el Decreto 2269 de 1993.

ICONTEe es una entidad de caracter privado, sin animo de lucro, cuya Mision es fundamental

para brindar soporte y desarrollo al productor y proteccion all consumidor. Colabora con el

sector gubernamental y apaya al sector privado del pais, para lograr ventajas competitivas en

los mercados interne y externo.

COMISION REG DE ENERGIA

YGAS

CONSULTORiA CO SlANA SA

EMPRESA UNIPERSONAL CARLOS A.

ACOSTA S.

EMPRESAS PU'BLI'CAS DE MEDELLIN ESP

HIDROCOL

La representaeion de

esta garantizada

caracterizado por

5 los sectores involucrados en el p

mites Tecnicos y el periodo d.:::.Ml'lrIr",

del publico en general.

so de Normalizaci6n Tecnica

Ita Publica, este ultimo

La NTC 4552-1

jeto de que responda en

A continuacion

traves de su pa '

atmosfericas.

1 0 de esta norma a

rotlec(;i~~f'i*K1tra descargas electncas

DEMO INGENIE

ECOPETROL

ELECTRO POL

GENELEC

IEB INGENIERfA

INGETESA

a consideraci6n de las

INEL

I

SEGURI

SIEMENS

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

UNIVERSIDAD DEL NORTE

UNIVERSIDAD DEL VALLE

"F"'\......I~.,..F"'\L DE INGENIERiA

LECTRICA LTDA.

ICONT!EC cuenta con un Centro de Informacion que pone a disposicion de los interesadosnormas internaCionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados.

DIRECCION DE NORMALIZACION

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1:

CONTENIDO

Pagina

INTRODUCCION

1 . ALCANCE . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . . • • • • • • . • • • • • . • • • , • . • • • • 1 ,

2 . . .,. ' 1

3 . TERMI'

4 .

5 .

5.1

5 . 2

5 . 3

6 ,. CONVENIENCIAS ECONOJIIIIIC:A5

NTRA RAYO .,..

6.2 CONVENIENCIAS ECONOMICAS DE LA PROTECCION CONTRA RAYO 14

7. MEDIDAS DE PROTECCION " " 14

7.1 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR LESIONES EN SERESVIVOS CAUSADAS POR TENSIONES DE PASO Y CONTACTO 14

7.2 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR DANOS FislCOS , , 1'5

7.3 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR FALLAS EN SISTEMAS

ELECTRICOS Y ELECTRONICOS " 15

7.4 SELECCION DE MEDI'DAS DE PROTECCION 16

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

Pagina

8. CRITERIOS sAslCOS PARA LA PROTECCION DE ESTRUCTURAS Y

ACOMETIDAS 16

8.1 NIVELES DE PROTECCION CONTRA RAYO (NPR) 16

8.2 ZONAS DE PROTECCION CONTRA RAVO (ZPR) 18

8.3 PROTECCION DE ESTRUCTURAS 19

8.4 PROTECCION DE ACOMETIDAS 22

BIBLIOGRAFiA 70

FIGURAS

Figura 1. Tipo de perdidas como resultado de diferentes tipos de dano 14

Figura 2. Zonas de proteccicn contra rayos ZPR definidas para

un SIPRA (NTC 4552-3) 19

Figura 3. Zonas de proteccion contra rayos ZPR definidas para medidas de

protecclon contra IER 20

TAB LAS

Tabla 1. Efecto de los rayos sobre estructuras tipicas 8

Tabla 2. Efectos del rayo en acometidas tipicas 10

Tabla 3. Danos y perdidas en una estructura de acuerdo con diferentes puntos de

impacto 12

Tabla 4. Danos y perdldas en la acometida de servicio de acuerdo con diferentes

puntos de impacto de rayo 13

Tabla 5. Valores maximos de parametres del rayo de acuerdo con el NPR 17

Tabla 6. Valores minimos de parametres del rayo relativos al radio de la esfera

rodante correspondiente a cada NPR 18

Tabla 7. Probabilidades para los limites de los parametres del rayo 18

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Pagina

ANEXOS

ANEXO A (Informativo)PARAMETROS DEL RAYO 23

ANEXO D (IPARAMETROSSOBRE COMPO

ANEXO B (Informativo)FUNCIONES DEEN EL DOMINIO

DEANAuSIS................................. 38

DE PRUEBA ..41

S RAYOS

..:t-"!".!c~"i"''''''''''''''''''''''........45

ANEXO E (Inform-"""'"SOBRETENSIO BIDi)(eiJtj_iM,ol;tE,IA)rQDE LA INSTAL""'''''¥ft·.~.

[lJf!I!BENTES PUNTOS.I~*'!": j~~-i 60

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

INTRODUCCION

Las descargas electricas atmosfericas 0 rayos son un fen6meno natural que varia con el espaCio

y con el tiernpo y no existen aetualmente dispositivos tecnol6gicos ni rnetodos capaces de

evitarlos, pero si de prevenirlos. Los rayos que irnpactan en las estructuras, las acometidas de

servicios domiciliarios (energia, acueducto, telecomunieaciones) 0 cerea del suelo, son peligrosos

para las personas, para los hogares, afectando su contenido e instalaciones. Por 1 0 tanto debe

ser eonsideradala de medidas de protecci6n contra

Un tercer grupo

prestaci6n de se

telecomunicaci6n)

selecci6n de las

manejo del r iesgo

ventajas econ6micas de i

parala proteccion S8

ejo de riesgo se expresa en

n de la proteccion y la

"t"'"n"1in..,r en tsrminos del

das de protecci6n contra

Un primer grupo

de los seres vivie

~1a~&llas fallas en los sistemas

45:52 ..4JiDtlr publicar).

anos fisicos y fallas en la

eSI)i;fCl_ia\(i~laj.aitnet'tel electricos y las lineas de

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PROTECCION CONTRA DESCARGAS

ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS).PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES

1. ALCANCE

Esta norma presenta los principios generales que deben seguirse en la proteccion contra rayos de:

Estructuras, incluyendo sus instalaciones y contenidos, asi como a las personas.

Servicios que entran a la estructura

Los siguientes casos estan fuera del objeto de esta norma:

Sistemas de trenes electricos:

Vehiculos, barcos, aeronaves, instalaciones en mar abierto;

Tuberias subterraneas de alta presion;

Redes de tuberias, energia y telecomunicaciones no conectadas a la estructura.

2. REFERENCIAS NORMATIVAS

Los siguientes documentos normativos fueron tenidos en cuenta en la elaboracion de la presente

norma. Se recomienda aplicar las ediciones mas recientes de los documentos normativos

indicados a continuaci6n. Los miembros de ICONTEC, la IEC y de la ISO mantienen registros de

las normas internacionales actual mente validas.

NTC 2050: 1998, C6digo Electrico Colombiano.

IEC 60364, (All Parts) Electrical Installations of Buildings.

IEC 60479, (All Parts) Effects of Current on Human Beings and Livestock

IEC 61643-1:2005, Low-voltage Surge Protective Devices Part l' Surge Protective Devices

Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Requirements and Tests.

IEC 61643-12:2002, Low-voltage Surge Protective Devices. Part 12: Surge Protective Devices

Connected to Low-voltage Power Distribution Systems. Selection and Application Principles.

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NORMA. TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

IEC 62305, (All Paris) Protection Against Lightning.

IEEE C.62A 1,.1:2002, Guide on the Surge Environment in Low- Voltage (1 000 V And Less)

AC Power Circuits.

IE.EE C.62A 1.2:2002, Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-voltage

(1 000 V and Less) AC Power Circuits.

IEEE C.62.45:2002, Recommended Practice on Surge Testing For Equipment Connected to Low-

voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits

3. TERMINOS Y DEFINICIONES

Para prcposito de esta a, se aplican las siguientes defini

3.1 Acometida

estruetura para la

(Service to becei6n contra los efectos

etida coneetada a una

3.2 Apantallamencierran el

electr6nicos.

metalicos quesistemas electricos y

corriente de rayo para la

Integral en el tiempo

3.6 Conductor blll_Ktb (Shielding Wire).~MCkJCtor~~.IIiGQ>~l[a1t.ID1bre) usado para reducirdanos flsicos en a as, causados por el

3.7 Conexi6n ectltllP~ncial de rayo ( Conexiones al

SIPRA de piezas separadas por conexiones cG[lQuctOlras ....rectas 0 por disposit ivos de

protecci6n contra (OPS), empleadas diferencias de potencialcausadas por t"t"If'rl",nt'l'llfll

3.8 Corriente de rayo (i) (Lightning Current). Corriente que fluye en el punto de impacto.

3.9 Dano fisico (Physical Damage). Dario a la estructura 0 al contenido de la misma debido a

efeetos mecanicos, terrnicos, quimicos y explosivos del rayo.

3.10 Descarga (Lightning Stroke). Oescarga electrfca atrnosferica simple a tierra.

3.11 Descarga ascendente (Upward Flash). Rayo iniciado por un lider ascendente desdeuna

estructura conectada a tierra hacia una nube ..Una descarga ascendente consiste de una primera

descarga larga con 0 sin multiples descargas cortas sobrepuestas. Una 0 mas descargas cortas

pueden ser seguidas par una descarga larga.

3 . 112 Oescarga corta (Short Stroke). Parte del rayo que corresponde a un impulse de corriente.

Esta corriente tiene un tiempa media T2 comunrnente menor a 2 rns, (vease la Figura A.1).

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3.13 Descarga descendente (Downward Flash). Rayo iniciado por un Iider descendente de

nube a tierra. La descarga descendente consiste en una primera descarga corta (Shott Stroke),

que puede estar seguida por otras descargas cortas subsecuentes. Una 0 mas descargas cortas

pueden estar seguidas por una descarga larga (Long Stroke).

3.14 Descarga larga (Long Stroke). Parte del rayo que corresponde a una corriente continua. EI

tiempo de duracion Tlargo(tiempo del 10 % del valor en el frente al 10 % del valor en la cola) deest a corriente continua, es tipicamente mayor de 2 ms y men or de 1 s (vease la Figura A2).

3.15 Descarga nube tierra (Lightning Flash to Earth). Rayo de origen atrnosferico entre nube y

tierra que consiste en una 0mas descargas (Strokes).

3.1G Dispositivo de proteccicn contra sobretensiones DPS (Surge Protective Device SPD).

Dispositivo que limita intencionalmente las sobretensiones transitorias y dispersa las

sobrecorrientes transitorias. Contiene por 1 0 menos un componente no lineal

3.17 Dispositivo de protecclon contra sobretensiones transitorias del tipo conmutaci6n de

tension. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no esta presente un transitorio, pero que

cambia subitamente su impedancia a un valor bajo en respuesta a un transitorio de tension.

Ejemplos de estos dispositivos son: Los via de chispa, tubos de gas, entre otros.

3.18 Dispositivo de proteccion contra sobretensiones transitorias del tipo Iimitacion de la

tensi6n. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no esta presente un transitorio, pera que

se reduce gradualmente con el incremento de la eorriente y la tension transitoria. Ejemplos de

estos disposit ivos son: varistores, diodos de supresion, entre otros.

3.19 Duraci6n de corriente de descarga larga ( 1 I " r g , , ) (Duration of Long Stroke Current)

Tiempo que dura 1 0 3 descarga larga (vease la Figura A.2).

3.20 Duraci6n del rayo (1') (Flash Duration). Tiempo durante el eual la corriente del rayo fluye

en el punto de irnpacto.

3.21 Energia especifica de la corriente de descarga corta (Specific Energy of Short StrokeCurrent). Integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para una desearga corta.

NOTA La energia especifica de unadescarga corta es insignificante.

3.22 Energia especifica del rayo (W/R)(Specific Energy). Representa la energia disipada par

la corriente de rayo en una resistencia unitaria y se obtiene mediante la integral en el tiempo del

cuadrado de la corriente de rayo para la duracion completa del misma.

3.23 Estructura a ser protegida (Structure to be Protected) Estruetura para la cual se requiere

protaccion contra efeetos del rayo.

NOTA Una estructura protegida puede ser parte de una estructura mas grande

3.24 Falla del sistema electrico y electronlco (Failure of Electrical and Electronic System)

Danos permanentes del sistema electrico y electronico por causa de efectos electrornaqneticos

del rayo.

3.25 Impedancia a tierra convencional (Convencional Earthing Impedance). Relacion de los

valores pico de la tension y corriente de puesta a tierra que, en general, no se producen

sirnultaneamente.

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3.26 Impulso electromaqnetico del rayo IER (Lightning Electromagnetic Impulse LEMP)

Campo electrornaqnetico generado por la corriente del rayo, capaz de generar interferencia

electrornaqnetica

NOTA La interferencia electrornaqnetica incluye sobretensiones conducidas al equipo del sistema electrlcc yelectr6nico as! como efectas directos del campo rnaqnetico sabre el equipo rnisrno.

3.27 Lesiones a seres vivos (Injuries of Living Beings). Perdidas de facultades fisicas,biol6gicas, psiquicas, incluida la vida, de personas 0 animales debidas a tensiones de paso 0 de

contacto causados por el rayo.

3.28 Maxima tension de operacion continua (Maximum Continuous Operating Voltage).

Maxima tension c.a. 0 c.c. que puede ser aplicada continuamente a un DPS en cualquier modo

de proteccion. Es igual a la maxima tensi6n nominal del dispositivo.

3.29 Medidas de p

proteger can el fin

(Protection Measures). Medidasja ser adoptadas en el objeto a

riesgo debido a rayos.

3.30 Multiplici

caso de la regi6n

intervalo ti pico dehasta 16 desca

Nurnero de descargas

plicidad presenta un

aproximadamente 50a 250 rns).

ponen un rayo. Para eJ

entre 1 y 2, con un

reportado eventos de

3.31 Nivel de p

relacionado con

probabilidad que

excedidos cuando .... lnle'.'~!JfflQi ..

Level LPL). Numero

rayo, pertinentes a la

valores que no seran

NOTA

3.33 Objeto aprotegida contra I

de servicio a ser

3.340rigen

Current). Punto d

90 % de los puntas

corriente de descarga cotltf,(Ci.f)~.wVII.1!origen of Shott Stroke

in1'IIn~j:>("ri6nde una linea recta con I , la cual une el 10 % y el

ft:IIIiCi-.:,n,..i<:o sabre la entrada de la corriente (vease la Figura A 1).

conductoras (External Conductive Extensiones de partes

rnetalicas que ingresan 0 salen de la estructura a proteger, par ejemplo tuberias, cables

rnetalicos, ductos rnetalicos, entre otros, que pueden lIevar corrientes parciales de rayo.

3.36 Pendiente promedio de la corriente de descarga corta (Average Steepness of the

Short Stroke Curren.t). Rata promedio de variaci6n de la corriente de descarga dentro de un

intervalo de tiempo 1 2 - fl. Es expresada por la diferencia i(!2 ) - i(t,) de Ios valores de corriente en el

comienzo y en el final de este intervalo, dividido por el intervale de tiempo 12 - t, (veasela

Figura A1).

3.37 Protecci6n con DPS coordinados (Coordinated SPD Protection). Conjunto de DPS

seleccionados apropiadamente, coordinados e instalados para reducir las fallas en los sistemas

electricos y electr6nicos

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3.38 Punto de impa.cto (Point of Strike). Punto donde una descarga toca tierra 0 un objeto

elevado (ejemplo: estructuras, sistemas de protecci6n contra rayos, acometidas, arboles, entre

otros).

NOTA Una descarga puede tener mas de un punto de irnpacto.

3.39 Rayo (Lightning): La descarga electrica atmosferica 0 mas cornunmente conocida como

rayo, es un fen6meno ffsico que se caracteriza por una transferencia de carga electrica de una

nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube 0 de la

nube hacia la ion6sfera.

3.40 Rayo cercano a un objeto (Lightning Flash Near to an Object). Rayo que impacta en la

vecindad de un objeto protegido, capaz de dariar el sistema electrico 0 electr6nico.

3.41 Rayo en un objeto (Lightning Flash to an Object). Rayo que impacta a un objeto a ser

protegido

3.42 Riesgo (Risk) (R). Valor probabilistico relativo a una perdida anual (seres humanos y

bienes), causada par el raya y relativas al valor del objeto a proteger.

3.43 Riesgo tolerable (RT) (Tolerable Risk). Valor maximo del riesgo que se puede tolerar

para el objeto a proteger.

3.44 Transitorio (Surge). Onda transiente causado por un IER que aparece como

sobretension y/ o sobrecorriente

NOTA Los transitorios causados par un IER pueden presentarse por corrientes de rayo (parciales), por lazesinductivos y por los efectos remanentes (tension ylo corriente) que deja pasar el DPS

3.45 Servicios a proteger (Services to be Protected). Servicios incorporados a una estructura

para la cual se requiere protecci6n contra los efectos del rayo.

NOTA Las acometidas electricas y de telecomunicaciones, son las mas afectadas por el rayo.

3.46 Sistema de captacion (Air Terminal System). Parte de un SIPRA, compuesto de

elementos metalicos tales como bayonetas, conductores de acoplamiento 0cables colgantes que

interceptan intencionalmente el rayo.

3.47 Sistema de conductores bajantes (Down Conductors System). Parte de un SIPRA que

conduce intencionalmente la corriente del rayo desde el sistema de captacion al sistema de

puesta a tierra

3.48 Sistema de medidas de proteccion contra IER (LEMP Protection Measures System).

Conjunto de medidas de protecci6n contra IER para sistemas internos.

3.49 Sistema de protecclon contra sobretensiones (Surge Protection Devices System).

Conjunto de DPS seleccionados, coordinados e instalados correctamente para reducir fallas desistemas electricos, electronicos y de telecomunicaciones.

3.50 Sistema de protscclon externa (External Lightning Protection System). Parte del

SIPRA que consiste en un sistema de puntas de captacion, un sistema de conductor bajante y

un sistema de puesta a tierra.

NOTA Generalmente estos elementos estan instalados externamente a la estructura.

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3.51 Sistema. de protecclon intema (Internal Ughtning Protection System). Parte de un

SIPRA que consiste en una conexi6n equipotencial de rayo y acorde con la distancia de

separaeion dentro de la estructura proteqida.

3.52 Sistema de puesta. a tierra. (Earth Termination System). Parte de un SIPRA que conduce

y dispersaintencionalmente la corriente de rayo en tierra.

3.53 Sistema electrico (Electrical System). Sistema que incluye componentes de suministro

electrico de baja tensi6n y posiblemente eomponentes electronicos.

3.54 Sistema elactronlcc (Electronic System)..Sistema queinciuye eomponentes electr6nieos

sensibles tales como equipos de cornunicacicn, computadores, instrumentos de control e

instrumentaci6n, sistemas de rad'io,instalaciones electr6nicas de potencia.

3.55 Sistema integral

Sistema integral

nroteccion contra rayo SIPRA (

ucir los dartos ffsicos que

puede considerar la medida

causado porlas descarga

de protecci6n

iNl'.ltnj:nN Protection System LPS).

causados por el rayo a un

para proteger las

atmosferlcas. Este

interna y medidas deistema usual

seguridad y

3.56 Sistema

estructura.

dentro de una

Iia se presenta entre una

a una distancia de un

::W-.:PJ,IlII~t: alcanzar al extender un

puntos de la supe~:JftCIe

un metro).

liC(iH6em]~r':~N.(&:l~_1~la se presenta entre dos

~fdOs'riOr"'dFdi diS'tiWftidtt·~uf)..paso (aproximadamente

3.59 Tension

Voltage)..Valor

caracteriza la rig

ted Inpulse Withstand

una parte de este, que

retensiones.

dual Voltage). Es el valor r-ur- ........ ·.. till<M,hC!'innque aparece entre los

~"'ltm'lao al paso de una corriente de ri'''''~$ITn:s;I~

3.61 Terminal de captaclon 0 dispositivo de interceptacion de rayos (Air Terminal).

Elemento rnetalico cuya funci6n es interceptar los rayos que podrian impactar directamente

sobre la instalaci6n a proteger. Comunrnente se Ie conoce como pararrayos.

3.62 Tiempo de cola (T2 ) (Time to Half Value of Short Stroke Current). Pararnetro virtual

definido como elintervalo de tiempo entre el origen virtual 01 y elinstante en que la corrienteha disminuido a la mitad del valor maximo (vease la Figura A 1),

3.63 Tiempo de frente de la corriente de descarga corta (T11)(Front Time of Short Stroke

Current (T1»' Pararnetro virtual definido como 1.25 veces el intervale de tiempo entre los

instantes en que se alcanza el 10 % Yel 90 % del valor maximo (vease la Figura A.1).

3.64 Valor pico (1) (PeakValue).Valor maximo de la corriente de rayo.

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3.65 Zona de protecclcn contra rayos ZPR (Lightning Protection Zone LPZ). Zona donde

esta definido el ambiente electrornaqnetico del rayo.

NOTA En la ZPR los efectos electromagnetlcos de la corriente de rayo pueden ser atenuados.

4. PARAMETROS DEL RAYO

Los parametres del rayo usados en la serie de la NTC 4552 estan reportados en el Anexo

informativo A del presente documento.

La funcion en el tiempo del rayo para propositcs de prueba esta reportada en el Anexo B

informativo del presente documento.

La informacion para la sirnulacion del rayo para propositos de prueba esta dada en el Anexo C

informativo del presente documento.

Los parametres basicos a ser usados en laboratorio para simular los efectos de los rayos en

componentes de un SIPRA estan reportados en el Anexo informativo D del presente

documento.

La informacion de sobretensiones debidas a impactos de rayos en diferentes puntos de la

instalaci6n esta dada en el Anexo E.

5. DANOS DEBIDOS A RAYOS

5.1 DANOS A ESTRUCTURAS

EI rayo que afecta a una estructura puede causar dana a la estructura misma, a sus ocupantes

y a su contenido, incluyendo fallas en sistemas internos. Los dafios y las fallas pueden

extenderse a los alrededores de la estructura, incluso pueden envolver el medio ambiente local.

La escala de esta extension depende de las caracteristicas de la estructura y de lascaracterfsticas de la descarga atrnosferica.

5.1.1 Efectos del rayo en una estructura

Las principales caracteristicas de la estructura respecto a los efectos del rayo incluyen:

Construcci6n (madera, ladrillo, concreto, concreto reforzado, construcci6n en marco de

acero).

Funci6n (vivienda, oficina, granja, teatro, hotel, escuela, hospital, museo, iglesia, prisi6n,

almacen grande, banco, fabrica, planta industrial, areas deportivas).

Ocupantes y contenido (personas y animales, presencia de materiales combustibles 0incombustibles, materiales explosivos 0 no explosivos, sistemas electricos y electronicos

con resistencia a la baja a alta tension).

Acometidas entrantes (lineas de energia, lineas de telecomunicaciones, tuberfas).

Medidas de proteccion (ej. las medidas de proteccion reducen los dartos fisicos y el

peligro de perder la vida, la proteccion reduce las fallas de sistemas internos).

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Grado de extensi6n del peligro (estructura con difieultades de evaeuaei6n 0 estrueturadonde el panico puede ser creado, estructura peligrosa a los atrededores, estructurasde ambiente peligroso),

La Tabla 1 rnuestra los efectos del rayo en diversos tipos de estructura.

Tabla 1, Efecto de los rayos sobre estructuras tipicas

Tipo de estructura segun lafunci6n y/o el contenido

Efectos del rayo

Casa de habitacion

Perforacion de instalaciones electricas, fuego y dartos rnaterialesDalio limitado normalmente a los objetos expuestos al punto detoque 0 a la trayectoria de la corriente del rayo.

por resultado retrasos en

problemas resultado deutadoras y perdida de

Industria

Museos y sitios &l'C(Ueolt!!gic!JSIglesias

Telecomunicaclones.electricas

Planta qulrnica, RefineriaCentral nuclear, Laboratoriosbioqufmicos y plantas

Fuego y mal funcionamiento de la planta can consecuenciasperjudiciales al ambiente local y global,

5.1.2 Fuentes y tipos de daiios de una estructura

La corriente de rayo es la fuente del dario. Las siguientes situaciones son consideradasdependiendo de la posici6n del punto de impacto relativo a la estructura:

S1 Impacto a la estructura

S2 Impaeto cerea de la estructura

8

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S3 Impacto al servicio entrando a la estructura

S4 Impacto cerca al servicio entrando a la estructura

Los rayos que impactan a la estructura pueden causar:

Dane mecanico inmediato, fuego y/ o explosion causado par el arco caliente ionizado delrayo, 0 causado por la corriente de rayo que origina calentamiento resistive de los

conductores (recalentamiento de conductores), 0 causado por la carga que origina un

areo corrosivo (metal derretido)

Fuego y/ o explosi6n iniciado por chispas, causadas por sobretensiones resultantes de

acoples inductivos 0 resistivos y por el paso de parte de la corriente de rayo.

Lesiones a personas por tensiones de paso y de contacto resultado de acoples

resistivos e inductivos.

Fallas 0 mal funcionamiento de sistemas internos causados por IER.

Los rayos que impactan cerca de la estructura pueden causar falla 0mal funcionamiento desistemas internos causados por IER.

Los rayos que impactan sabre acometidas entrantes a la estructura pueden causar:

Fuego y/ o explosion iniciado por chispas, causadas por sobretensiones y corrientes de

rayo transmitidas por la acometida entrante.

Lesiones a personas causadas por tensiones de contacto dentro de la estructura,

originados por corrientes de rayo transmitidas por la acometida entrante.

Falla 0 mal funcionamiento de sistemas internos causado por sobretensiones

transmitidas a la estructura por Ifneas entrantes.

Los rayos que impactan cerca de la acometida entrante a la estructura pueden causar:

Falla 0 mal funcionamiento de sistemas internes causado por sobretensiones inducidas

y transmitidos por lineas entrantes a la estructura.

NOTA EI funcionamiento incorrecto de sistemas internos no es tratado en la serie NTC 4552. Se hace enfasis deesto en la publicacion IEC 61000-4-5.

NOTA Solamenle las chispas que lIevan corrientes de rayo (total 0 parcialmente) se consideran capaces de iniciarfuego.

NOTA Los rayos, direclos 0 cerca de tuberias entrantes, no causan darios a la estructura, debido a que estas seenlazan a la barra equipolencial de la eslructura (vease la NTC 4552-3).

Como resultado, el rayo puede causar tres tipos basicos de dafios:

D1 Lesiones a los seres vivos, causadas por tensiones de contacto y de paso.

02 Danos fisicos (fuego, explosion, destruccion mecanica, escape qufmico) causados por

efectos de la corriente de rayo incluyendo chispas.

D3 Fallas de sistemas internos causados par IER.

9

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5.2 DANOS EN ACOMETIDAS

EI rayo que afecta una acornetida puede causar dario ffsico a esta -Ilnea 0 tuberia- sequn sea

usada para proporcionar alqun servicio (energia, telecomunieaciones, acueducto), asl como al

equipo electrico y electr6nico conectado a esta,

La escala de esta proporcion de dana depende de las caracteristicas de la acornetida, del tipo y

de la extension de los sistemas electricos y eleetr6nicos y de las caracteristicas del rayo.

5.2.1 Efectos del rayo en acometidas

Las caracteristicas principales de la acometida a las que se consideran los efeetos del rayo

son:

aerea, subterranea, cubierta, bierta, fibra optica; tuba:

nicaci6n, linea de energia, t

, DPS, redundancia

generacion, Sistema de

Lineas de Energia Perforaciones del

aislarniento del equipo

consecuencia de perder

e de la linea, falla del

transformadores con la

Tuberlas de agua Danos a los equipos de control

causando la perdida del servicio.

y electrcnico, probablemente

Tuberfas de gas, Tuberias de

combustible

Perforaciones de empaques no rnetalicos probablemente causando

fuego y/o la explosiones.

Danos a equipos de control eiecmco y electronlco probable mente

causando ida del servicio.

5.2.2 Fuentes y tipos de dana en una acometida

La corriente de raya es 'Ia fuente del dafio. Las siguientes situaciones deben ser consideradas

dependiendo de la posici6n del punta de impacto relativo a Is acometida considerada

81 Rayas a la estructura suplida por la acometida considerada,

83 Rayos a la acometida entrante a la estructura,

10

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S4 Rayos cerca de la acometida entrante a la estructura

Rayos que impactan la estructura pueden causar en la acometida de servicio:

Fundici6n de alambres rnetalicos (conductores) y de las pantallas del cable, causado

por parte de la carriente de rayo que fluye en las acometidas, dando par resultado un

calentamiento resistivo.

Falla del aislamiento en Ifneas y de los equipos conectados causados por acaples

resistivos. (ACOPLAMIENTOS).

Disrupcion de empaques no rnetalicos en bordes de tubos, asi como empaques en

empalmes de aisladores.

NOTA EI cable de fibra 6ptica sin conductor rnetallco no es afectado por lacaida del rayo en la estructura.

Rayos que impactan la acometida entrante ala estructura pueden causar en la acometida

de servicio:

Dana rnecanico inmediato de alambres 0 ductos rnetalicos de la acometida causados

por esfuerzo electrodinamico a par efectos terrnicos de la corriente de rayo (rompiendo

y/ o fundiendo alambres, pantalias 0 tuberias rnetalicas), y causados par el area

ionizante de calor (perforando la cubierta protectiva de plastico),

Dalio electrico inmediato de las lineas (Falla de aislamiento) y del equipo conectado;

Perforaciones finas en bordes y empaques de tuberia aerea rnetalica y no metalica,

donde sus consecuencias pueden extenderse a fuego y explosi6n, dependiendo del tipo

de liquidos transportados.

Los rayos que impactan cerca de la acometida entrante a la estructura pueden causar en

la acometida de servicio:

Falla del aislamiento en lineas y equipos conectados a estas, debido a acoples

inductivos (sobretensiones inducidas).

NOTA EI cable de fibra optica sin conductores metalicos no es afectado por los rayos a tierra.

Como resultado, el rayo puede causar dos tipos basicos de darios:

02 Danos fisicos (fuego, explosi6n, destrucciones mecanicas, escape quimico) causados

por efectos termicos de la corriente del rayo.

D3 Falla de sistemas electricos y electr6nicos causadas par sabretensiones.

5.3 TIPOS DE PERDIDAS

Cada tipo de dario, solo 0 conjuntamente can otros, pueden producir diferentes consecuencias

perjudiciales en el objeto a proteger. EI tipo de perdida que puede aparecer depende de las

caracteristicas del objeto mismo

Para prop6sitos de esta norma son considerados los siguientes tipos de perdidas:

L1 Perdida de vidas humanas

11

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L2 Perdida de servicios publicos

L3 Perdida de bienes culturales

L4 Perdidas econ6micas

Las perdidas del Tipo L1, L2 Y L3 se pueden considerar como perdidas de valor social,

mientras que las perdidas del Tipo L4 se pueden considerar como perdidas econ6micas.

Las perdidas que pueden asociarse con los impactos en 0 cerca de las estructuras son L1, L2,

L3 Y L4.

Las perdidas que pueden asociarse con los impactos en 0 cerea de las acometidas de servicio

son L2 y L4 .

acometidas se p

dane, el tipo de dana y la perdid

bla 3 y Tabla 4 respectivamente.

. las estructuras y para las

puntos de impacto

Tipo dePerdlda

Estructura

01

02

03

Cerca de la

JtL1 01

02

D3

Acomet ida de servicio

entrando a la estructura

L1. l41 2 )

L 1 , l 2 , L 3 , L 4

L 1, L2, L4

L1 , L4(2)

L1, L2. L3, L 4

L 1 (11, L2 , L4

(1) Solo para estructuras con riesgo de explosion, hospitales u otra estructura en donde las fallas del sistema

interno ponga en perigro la vida hurnana.

(2) Solo para propiedades donde exista perdida de anirnales,

Cerca de la acometidade servicio

84 03

En el caso de estructuras con

12

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Tabla 4. Danos y perdidas en la acometida de servicio de acuerdo con diferentespuntos de impacto de rayo

Punta de impacto Fuente de dana Tipa de dana Tipo de perdida

Acometida de Servicio S3 Di,03 L1,L2.,L4

Cerca a la acometida deS4 03 L2,L4

servicio

Estructura suplida $1 Oi,03 L1,L2,L4

• En el caso de tuberias con empaques 0 bridas no metallcos transportando fluidos explosives

6. NECESIDADES Y CONVENIENCIAS ECONOMICAS PARA LA PROTECCION

CONTRA RAVO

6.1 NECESJDAD DE LA PROTECCION CONTRA RAVO

En funci6n de reducir perdidas de valores sociales L1, L2, Y L3 sera evaluada la necesidad de

proteger un objeto contra rayo. Para evaluar si una u otra proteccion contra rayo es necesaria,

se realiza una evaluacion del riesgo de acuerdo con los procedimientos contenidos en la

NTC 4552-2.

Los siguientes riesgos deben considerase, correspondientemente a los tipos de perdida

descritos en el numeral 5.2.3:

R1 riesgo de perdida de vidas humanas;

R2 riesgo de perdida de servicios publicos domiciliarios;

R 3 riesgo de perdida del patrimonio cultural;

La proteccion contra rayo es necesaria si el riesgo R (R1 a R3) es mas alto que el nivel tolerable

R T

R> Rr

En este caso la medida de proteccion sera adoptada en orden de reducir el riesgo R (R1 a R3)

al nivel tolerable R T

R :;; R r

Si mas de un tipo de perdida podria aparecer en el objeto que se proteqera, la condicion

R s Ry sera satisfecha para cada tipo de la perdida (L1, L2 Y L3)

Los valores del riesgo tolerable RT donde el resultado dei impacto de rayo sea la perdida de

articulos de valor social, debe estar bajola responsabilidad del organismo nacionalcompetente.

NOTA EI detalle sobre la informacion de la evaluacion del riesgo y el procedimiento para la seleccion de lasmedidas de proteccion estan descritas en la NTC 4552-2

Los tipos de perdida que resultan de tipos de dana y la relacion con el riesgo se muestran en la

Figura 1.

13

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Tipo de

dafios

t.eslones POl'

tensiones de

paso y de

contacto

Fa ll a co r s cor e -t~nsjonA8

Tipo de

perdidas

1)o electronicos

como resultado de difere

6 . 2

~I': •• protegido, puede ser uti I

~_~·i on para reducir perdidasI

En este case

evaluation del

de proteccion.

ser determinado. La

mica can y sin medidas

La protecci6n co as es conveni

presencia de medru ... ","" protecci6n CRL. y d e h . .. C O S 1 r o :; jC l e . ·m I C l I JO e ~que el costa de I sin medidas de la P r J : > t e I ~ 5 r r c : x : · ~ ' ·

perdida residual en la

cion CPM es mas baja

NOTA La inform

7. MEDIDAS DE PROTECCION

las medidas de proteccion se pueden adoptar para reducir el nesqo sequn el tipo de dano.

7.1 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR LESIONES EN SERES VIVOS

CAUSADAS paR TENSIONES DE PASO Y CONTACTO.

Las posibles medidas de proteccion son:

Adecuado aislamiento de piezas conductoras expuestas.

Equipotencializaclcn por medio de un sistema de puesta a tierra.

Restricciones flsicas y avisos de prevencion.

14

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NOTA La equtpotencieltzacion no es efectiva contra tensiones de contacto.

NOTA Un aumento de la resistencia superficial del suelo dentro y fuera de la estructura puede reducir el peligropara la vida.

7.2 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR DANOS FislCOS

Las posibles medidas de proteccion son:

a) para estructuras

EI Sistema integral de proteccion contra rayos (SIPRA)

NOTA Cuando un SIPRA esta instalado, la equipotencializacion es una medida muy importante parareducir peligro: de perder la vida, de incendio y de explosion. Para mas detalie vea la publicacion en laNTC 4552-3.

NOTA Se pueden reducir danos fisicos si se usan elementos que limitan el desarrollo y la propaqacion delfuego tal como compart imientos, ext intores, hidrantes, instalaciones incombustibles, alarrnas contraincendio e instalaciones extintoras de fuego,

NOTA Rulas de evacuaci6n seguras proporcionan proteccion al personal.

b) para acometidas

Conductor blindado

NOTA Para cables enterrados una proteccion muy eficaz es dada mediante los ductos rnetalicos.

7.3 MEDIDAS DE PROTECCION PARA REDUCIR FALLAS EN SISTEMAS ELECTRICOS

Y ELECTRONICOS

Las posibles medidas de protecclon son:

a) para estructuras

EI sistema de proteccion contra IER (SPIER) es un conjunto de las siguientes medidas

que pueden ser usadas solas 0 en combinacion:

Dispositivos de proteccion contra sobretensiones (DPS) en el punto de entrada de

las lineas que incorporan la estructura y en las instalaciones internas,

Protectores rnaqneticos en la estructura y/o en las instalaciones de la estructura

y/o en las Ifneas que incorporan la estructura,

Establecer rutas adecuadas del cableado interne en la estructura.

Conexi6n a tierra y union de conductores

b) para acometidas

Dispositivos de protecci6n contra sobretensiones (DPS) a 10largo de la acometida

yen la terrninacion de linea;

Apantallamientos rnaqneticos de cables.

NOTA Para cables enterrados, una proteccion muy eficaz es una continua pantalla rnetalica decalibre adecuado.

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NOTA Circui tos auxiliares, equipo redundanle, sistemas de autoabastecimiento enerqetico,

sistemas continuos de energia, sistemas de almacenamiento de agua, sistemasautornaficos de detecci6n de falla son medidas de protecci6n eficaces para reducir la

perdida de actividad de alglin servicio.

NOTA Un incremento de la tension disruptiva del aislamiento del equipo y de los cables es unamedida eficaz de protecci6n contra fallas causadas par sobretensiones.

7.4 SELECCION DE MEDIDAS DE PROTECCION

La seleccion de rnedidas de proteccion mas convenientes sera hecha por el diseriador y el

propietario de la estructura sequn la cantidad y el tipo de cada clase de dane, y sequn los

aspectos tacnicos y econ6micos de las divsrsas medidas de protecci6n.

Los criterios para la evaluacion del riesgo y para la seleccion de las medidas mas convenientes

de protection se en la NTC 4552-2

En la practica la ·bt(jlflktio'n

casos reales, la

continuo de caIlDl·,.11Gt"lLJ;8CIO

permiten que la r'"ir'l!iol:lint,1lIl

Las medidas de p

de normas a

soportar el esfu

eficaces bajo la condition de q

a las reglamentaciones vig

do en el lugar de su instala

8. S Y ACOMETIDAS

Una encerrando el objeto a

bOl~tt(Jr continuo conectado a

a las acometidas que

lda.le~~lfOlllprevendrfa la penetracion

bjell6''j)t~~te~gido, mitigando efectos

;~mBnlE, tensiones disruptivas

pel igro.s •• I:8~ cos y electronicos.

Falla del servicio y de los sistemas conectados.

Las medidas de proteccion, adoptadas para reducir tales darios y sus respectivas perdidas, seran

diseriadas sequn el sistema de parametres de la corriente de rayo contra los cuales se requiere

la protecci6n (nivel de proteccion contra rave NPR).

8.1 N'IVELES DE PROTECCION CONTRA RAYO (NPR)

Para prop6sitos de esta norma, se introducen cuatro niveles de proteccion contra raya (I a IV).

Para cada nivel (NPR) se genera un sistema fijo de parametres maxirnos y mfnimos de corriente

de rayo.

NOTA Las protecciones contra el rayo cuyos parametres, maximo y minimo, de la corriente de rayo excedan elnivel I (NPR I)no se consideran en esta norma.

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NOTA La probabilidad de ocurrencia de rayo cuyos parametres, maximo y minimo, de la corriente de rayo excedanel nivell (NPR I) es menor del 2 %.

Los valores maxirnos de los parametres de la corriente de rayo a nivel I (NPR I) no seran

excedidos, can una probabilidad de 99 %. De acuerdo conla proporcion de la polaridad (vease el

numeral A2), los valores tomados para descargas positivas tendran probabilidades par debajo de

10 %, mientras que para descargas negativas permaneceran debajo de 1 % (vease el numeral A.3).

Los valores rnaximos de los parametres de corriente de rayo del nivell (NPR I) se reducen a 75 %

para el nivelll ya 50 % para los niveles III y IV (lineal para I, Q y dildt, pero cuadratico para WIR).

Los parametres del t iempo no cambian.

Los valores rnaxirnos de los parametres de corriente de rayo para diversos niveles de

proteccion contra rayo (NPR) se muestran en la Tabla 5, y son usados para diseriar los

componentes de la protecci6n (ej. secci6n transversal de los conductores, grueso de las hojas

de metal, capacidad de corriente del DPS, distancia de separaci6n contra disrupciones

peligrosas) y para definir los parametres de la prueba que simula los efectos del rayo en estos

componentes (vease el Anexo D).

Tabla 5. Valores maximos de parametres del rayo de acuerdo con el NPR

Primera descarga corta NPR

Pararnetro Simbolo Unidad I II III I IV

Corriente pico r K A 2 0 0 1 5 0 1 0 0

Carga corta Qcol'/a C 1 0 0 75 5 0

Energia especifica fVIR kJIO 1 0 0 0 0 5 6 2 5 2 5 0 0

Oescarga corta subsecuente NPR

Pararnetro Simbolo Unidad I II III I IV

Corrienle pico f K A 5 4 4 0 , 5 2 7

Pendiente Promedio di/dt kAlJS 1 2 0 9 0 6 0

Parametros de tiempo 7 / 7 2 IJsflJs 0,4/50

Oescarga larga NPRPararnetro Simbolo Unidad I II III I IV

Carga larga Q l t r r : x t, C 1 0 0 7 5 5 0

Parametro de tiempo rc; s 0 , 5

Rayo NPR

Pararnetro Sfmbolo Unidad I II III I IV

Carga Qrc~rQ C 3 0 0 2 2 5 1 5 0

Los valores minimos de amplitud de la corriente de rayo para los diversos niveles (NPR) se

utilizan para derivar el radio de la esfera rodante (vease el numeral A.4) en funci6n de definir la

zona de protecci6n contra rayo, que no se puede alcanzar por descarga directa (vease el

numeral 8.2, Figura 2 y Figura 3). Los valores minimos de los parametres de la corriente derayo junto con el radio relacionado de la esfera rodante se dan en la Tabla 6. Estos S8 utilizan

para posicionar los bornes aereos y para definir la zona ZPR O B de la protecci6n contra rayo

(vease el numeral 8.2).

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

Tabla 6. Valores mfnimos de parametres del rayo relativos al radio de la esfera rodantecorrespondiente a cad a NPR

Cr:iterio de lnterceptacicn NPR

Sfmbolo Unidad I II III IV

Caniente pica minima I kA 1 7 21 26 3 0

Radio esfera rodante R m 35 4 0 5 0 55

NOTA Estas corrientes estan basadas con las probabilidades de zona tropical (vease el Anexo A).

NOTA EI pracedimiento de obtenci6n de estos radios para zona tropical esta descrito en el numeral A.4 de eslanorma.

NOTA EI diseflador es libre de usar cualquier radio dela esfera, siempre y cuando estes sean inferiores a losmastrados en la Tabla 6.

valores rnaximos

de la proteccion

disticas dadas en I:a Figura A.S, la

que los para metros de corrie

mayores que los valores m

babilidad ponderada puede

a sean menores que los

definidos para cada nivel

para los pa~:'~:if!~~~~'::;

para el diserio.

la probabilidad

ida par el NPR asumido

p r C ) t e I C C j j , , " 1 1 asumida como igual a

dentro de dicho rango.

8 . 2

Las rayos ZPR

Las protecciones ag de la ZPR se caracterizan por

que pueda existir aguas arriba de la ZPR.

on s.ignificativa dellER,

Con respedo a la proteecion contra el rayo se definen las siguientes ZPR (Figura 2 y Figura 3):

ZPR O A Expuesto a impactos directos del rayo. La Corriente y el campo maqnetico del

ray a no son amortiguados.

ZPR O s Protegida contra impactos directos de rayo. La corriente parcial a inducida del

rayo y el campo rnaqnetlco no son amortiguados.

ZPR 1 Protegido contra impactos directos del rayo. La corriente parcial 0 inducida del

rayo y el campo mapnetico son amortiguados

ZPR2 n Como la ZPR 1 perc el campo rnaqnetico es mas amortiguado.

18

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NORMAT~CN~ACOLOMB~NA NTC 4552-1

NOTA En general, cuanto mas alto es el nurnero de la zona individual, mas bajos son los valores de losparametres electrornaqneticos del ambiente.

Como regia general para la proteccion, el objeto protegido estara en una ZPR cuyas

caracteristicas electrornaqneticas sean compatibles con la capacidad del objeto para soportar el

esfuerzo causa del dane a reducir (dartos ffsicos, fallas de los sistemas electricos y electr6nicos

debidas a sobretensiones).

NOTA Para muchos sistemas electricos Y electr6nicos Y otros dispasitivos, la informacion sabre el nivel disruptivapuede ser suministrada por el fabricante.

Para los DPS el diseFiador podra utilizar los lineamientos contenidos en la norma tecnica

colombiana vigente, 0 los documentos normativos ANSI IEEE C 62.41-1, -2: 2002 e IEC 62305-4.

8.3 PROTECCION DE ESTRUCTURAS

8.3.1 Protecci6n para reducir danos fisicos y riesgos de perder la vida

La estructura protegida estara dentro de un ZPR Os 0 mayor. Esto se alcanza por media de un

sistema integral de proteccion contra rayo (SIPRA).

Los SIPRA consisten en sistemas extern os e internos de proteccion contra rayo y,

adicionalmente, medidas de seguridad y proteccion personal contra rayo (Vease la Figura 2).

81

S3 Servicio

entrando

ZPR 1

Servicio

entrando

\ Sistema de tierra

S1 lrnpacto a la estructura

S2 Impacto cerca de la est ructura

83 Impacto en servtcio entrando a la estructura

34 Impacto cerca servicio entrando a la estructura

Radio esfera rodante

s Distancia separaclcn contra pel igros de impacto

o Barraje equipotenc ia l de rayos (DPS)

ZPR 0A Impactos di rectos, cor riente total del rayo

ZPR 08 No impactos d irectos. corr iente parc ial de rayo 0 corriente inducida

ZPR 1 No lrnpactos directos, corriente parcial de rayo a corriente inducida

volumen protegido dentro de ZPR 1 tiene que respetar

distancia de separacion s

Figura 2. Zonas de proteccion contra rayos ZPR definidas para un SIPRA (NTC 4552-3)

19

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552~1

S ,

Estructura

apantallada

par ZPR 1

Sistema de

Cuarto

apantallado

par ZPR 2

o

ZPR 2

Servicia

entrando

1 Estructura ap,ai)l l~!IlI2 Sistema de I3 Sistema de baj4 Puesta a Tie56 campos rnaqneticos

ZPR O A

ZPR D B

ZPR 1ZPR 2

IlTlr'<>,.;- ......"'-'l~" corriente total del rayo

imi*tGa·;~irectos, corrienle parcial deimt)8d!OStlirectos, corriente parcial de

jaO.,rm:~~lidodenlro de ZPR 1 Y ZPR 2

protecci6n contra. rayos ZPR defin,n""", ..no

contra IER

Las funciones de los sistemas externos son:

Interceptar el rayo dirigido a una estructura (can un sistema de captadores)

Conducir la corriente de rayo con seguridad a tierra. (con un sistema de conductores

bajantes)

Dispersar el rayo en tierra (can un sistema de puesta a tierra)

La funci6n de los sistemas de proteccion internos es prevenir chispas peligrosas dentro de la

estructura, usando una consxion equipotencial 0 una distancia de separacion, 5, (por 10 tanto

aislamiento electrico) entre los componentes de los SIPRA y otros elementos electricarnente

eonductores internos enla estructura.

20

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

Las medidas de seguridad y proteccion personal contra rayo eonsisten en una guia de seguridad

personal contra este fenorneno yen casos de instalaciones al aire libre, un sensor de tormentas.

Se definen cuatro tipos de SIPRA (I, II, III, IV) como un sistema de reglas de construccion,

basadas en el NPR correspondiente. Cada sistema incluye un nivel dependiente (ej. radio de la

esfera rodante, ancho del acoplamiento, etc.) y un nivel independiente (ej. secciones

representativas, materiales etc) de reglas de construccion.

EI peligro de perder la vida debido a las tensiones de paso y de contacto, donde la resistencia

superficial del suelo fuera y dentro del piso de la estruetura no es suficientemente alta, se

reduce asl:

Fuera de la estructura, por aislamiento de las partes eonductoras expuestas, par

equipotencializacion mediante un sistema de malla a tierra, por medio de avis os y

restricciones fisicas.

Dentro de la estruetura, por conexi6n equipoteneial de las aeometidas en el punto de

entrada a la estructura.

Los SIPRA se diseriaran can indicaciones de la NTC 4552-3.

8.3.2 Protecci6n para reducir fallas en sistemas internos

La proteccion contra IER para reducir el riesgo de falla en sistemas internos se lirnitara a

Sobretensiones causadas por el rayo sobre la estructura, resultado del acople resistivo

e inductivo.

Sobretensiones causadas por el rayo cerea de la estruetura, resultado del aeople

inductive:

Sobretensiones transmitidas por las lineas entrantes, causadas por rayos sobre 0 cerea

de las lineas.

Aeople directo del campo rnaqnetico can los sistemas internos.

NOTA Los efectos del acople directo del campo maqnetlco con los sistemas internos son menores y pueden serdespreciados siempre y cuando los aparatos de los sistemas cumplan con 10relevante a las normas de productoselectrornaqneticarnente compatibles (vease la NTC 4552-2 Y la normatividad nacional vigente para protecci6n desistemas intern os 0 en su defecto la norma IEC 62305-4 0 los documentos normativos IEEE C62.41-1 eIEEE C62.41-2 0 la normatividad UIT serie K).

EI sistema interno protegido estara dentro de una ZPR1 0 uno mas alto. Esto se aleanza par

medio de proteetores rnaqneticos que atenuan el campo maqnetico inducido y/o par medio de

eonexiones adecuadas (trayectos convenientes) del eableado, que reducen el lazo de inducci6n.

La eonexi6n sera proporcionada por los Ifmites de la ZPR para las piezas metahcas y los

sistemas que cruzan los Ifmites que se pueden realizar por medio de eonexi6n de eonductores,cuando son necesarios, par dispositivos de proteccion (DPS).

Las medidas de protecci6n para la adecuada ZPR se estableeen en la normatividad naeional

vigente a en su defecto la norma IEC 62305-4 0 los documentos normativos IEEE C62.41-1 e

IEEE C62.41-2 0 la normatividad UIT serie K .

21

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NORMA TE.GNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

La protecci6n efectiva contra sobretensiones, que causan fallas de sistemas internos, tarnbian se

puede alcanzar par media de un sistema DPS que limita sobretensianes par debaja del impulso

de tension disruptivo del sistema protegido.

Eli DPS sera seleccionada e instalado sequn los requisitos de la normatividad nacional vigente 0

en su defecto la norma lEG 62305-4 0 los documentos normativos IEEE. C62.41-1 e

IEEE C62.41-2 0 la normatividad UIT serie K.

8.4 PROTECCION DE ACOMETIDAS

Las acometidas estaran protegidas dentro de una:

ZPR Os 0 mayor, para reducir dartos fisicos. Esto se alcanza seleccionand'o un trayecto

subterraneo en vez de uno aereo 0 usando un interruptor colocado adecuadamente,

cuando sea sequn las caracteristicas de la If 0 aumentando el calibre de la

tuberla a un asegurando su continuidad

v";,.....ion contra sobrete

alcanza reduciendo

io del adecuado

causan fallas de servicio

de las sobretensiones

netico de cables, y/o

io del DPS adecuado.

22

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

ANEXOA

(Informativo)

PARAMETROS DEL RAYO

A.1 RAYOS A TIERRA

Existen dos tipos de descargas electricas atmostericas 0 rayos:

Oescargas descendentes iniciadas por un Ifder descendente nube - tierra.

Oescargas ascendentes iniciadas por un Ifder ascendente de una estructura aterrizada

a nube

En territorios pianos y estructuras bajas generalmente S8 presentan descargas descendentes,

mientras que para estructuras altas dominan las descargas ascendentes. Con estructuras altas

la probabilidad de impacto se incrementa (NTC 4552-2 Numeral 6) y cambian las condiciones

ffsicas.

Un rayo consiste de una 0 varias descargas (strokes)

Oescargas de corta duracion, menores de 2 ms (vease la Figura A.1)

Oescargas de larga duraci6n, mayores de 2 ms (vease la Figura A.2)

0,

± i

50%

OJ = Origen virtual

J = Corriente pico

t, = Teimpo de frente

t 2 = Tiempo atvalor medio

Figura A.1, Definiciones de parametres de irnpacto corto (Tipicamente T 2 < 2 ms)

2 3

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

I---~~~~~~~~~- T,on9 ~~~~~~~~---It - -- -- - --

T'ong = Tiempo de duraci6n

Q '0n<J = Carga de impacto largo

Figura .A.2. Definiciones de parametres para descargas largas (Tipicamente 2 ms <T'ong<1)

Adernas de las dife

positiva) y su posici

componentes son

para descarga.s

= i ± i

descargas se debe considerar la

la descarga (primera, subsecu

la Figura A.3 para descargas

laridad del rayo (negativa 0

sobrepuesta) Los posibles

ntes y en la Figura A.4

±i

- i - i - i

Negative Negative

Fi.gura .A.3. Posibles componentes de descargas descendentes

(Tfpicas enterritorios planes y estructuras bajas)

24

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

Oescargas cortas

superpuestaa

= i : : t j = i ± i

Prime-a

descarqa larga

Positive 0 negativo Posltlyo 0 negatlvo

-I -i .j -I

Descarqas conas

subsecuentes

Negatlvo Neqafivc

= i .i

Descarga

larga unica

Positive 0 neqauvc

Figura A.4. Posibles componentes de descargas ascendentes

(Tfpicas para estructuras expueatas y/o altas)

Una componente adicional para las descargas ascendentes es la primera descarga de larga

duraci6n (0 simplemente descarga larga) sin 0 con hasta 10 descargas cortas sobrepuestas.

Todos los parametres de las descargas ascendentes son menores que los de las descargas

descendentes. Sin embargo, no esta confirmado que exista una carga mayor para descargas

ascendentes. Por consiguiente, los parametres del rayo para descargas ascendentes se

consideran cubiertos por los valores maxim os tomados de las descargas descendentes. Una

evaluaci6n mas precisa de los parametres del rayo y su alta dependencia con respecto a

descargas descendentes y ascendentes esta bajo consideraci6n.

A.2 PARAMETROS DEL RAYO

Los parametres del rayo en esta norma estan basados en los resultados de investigaciones

realizadas en parses tropicales como Brasil, Colombia y datos del CIGRE, dados en la Tabla A.1.

Su distribuci6n estadistica puede ser asumida como una distribuci6n log-normal. EI

correspondiente valor de la media ( 1 - 1 ) Y la desviaci6n estandar ( a log [estan dados en la Tabla A.2

y la funci6n de distribuci6n se muestra en la Figura A.5 Con base en estos supuestos, puede ser

determinada la probabilidad de ocurrencia de cualquier valor de cada para metro.

2 5

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552·1

Tabla. A.1. Valores tabulados de parametros del rareotomados demedici ones de Brasil y Colombia (2], ( 61

Tipo de descargaDenominaciCIGREy

referencia

Magnitud delpararnetro

para NPRI

Magnitud probabilistica delparamatroarametro

f (kA)

Q " O O (C)

W I R ( kJ /O )

(1)

(2) Torres, H.2002.

BLOS, Bogota, Colombia,

(4) Se toman s de CIGRE (Electra No. 41 0 No. r mediciones confiables den"l"rii"bri positiva en zona tropical. Existen datos de localizacion de rayos perc la

ecuaci6n utilizada el calculo de corriente por esta tecnolog condicionada a los valores deCIGRE. Estas redes no entregan datos de di/dt . La investiqacion sabre estos datos para zona tropical seencuentra en progreso.

(5) Younes C. "Evaluacion de Parametres del Rayo con Mediciones Terrestres y Satelitales para Colombia"Tesis de Maestria, UN Bogota, 2002. (Item IliA).

(6) Schroeder, M.A. "Modele Eletrornaqnetlco Para Descontaminacao De Ondas De Corrente De descargasAtmosfsricas: AplicacaoAs Medi~6es da Estacao do Morro do Cachimbo" Tesis de Doctorado, U FederalMinas Gerais Brasil, 2001

26

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Tabla A.2 Dlstribuclon log-normal de los para metros del rayo.

Val ores medios y dispersion calculados para 95% v 5%

MediaDesvlacion Linea en

Parametres estiindar Tipo de descarga la Figura~

O"loQ A.5

45,3 0.39 Primera descarga negativa corta 1

I (kA) 16,3 0,51 Descarga subsecuente negativa corta 2

33.9 0.527 Primera descarga positiva corta 3

Q"!F ' (e)Rayo negativo

83.7 0.378 Rayo positivo 5

5,2 0.50 Primera descarga negaliva corta 6

a.; (e) 0,99 1,15 Oescarga subsecuente negativa carta 7

17.3 0.570 Primera descarga positiva carta 8

107 0.88 Primera descarga negativa corta 9

w 1 lI k J I Q 6,33 1,54 Oescarga subsecuente negativa carta 10

612 0.844 Primera descarga posit iva corta 11

19,4 0,29 Primera descarga negativa corta 12

dildt",,,, 29,9 0,66 Oescarga subsecuente neg at iva corta 13(kA/us)

2.53 0.670 Primera descarga positiva corta 14

di / dt 3DI 90 %24,7 0.68 Oescarga subsecuente negativa corta 15

(kA/us)

Q"'9' (e) 200 Descarga larga

T long (s) 0,5 Oescarga larga

Duraclon inicial5.6 0.36 Primera descarga negativa carta

(frente) 0,7 0,74 Oescarga subsecuente negativa corta

(us)26.5 0.534 Primera descarga positiva corta

Duracion de la53,5 0,62 Primera descarga negativa corta

cola 16,4 1,23 Oescarga subsecuente negativa corta

(us) 224 0.578 Primera descarga positiva corta

Intervalo de

tiempo Multiples descargas negat ivas cortas

(ms)

Duracion totalRayo negativo (todos)

del rayo Rayo negativo

(ms)83,7 0,472 Rayo positivo

NOTA Los tipos de descarga que no tienen valor alguno es debido a que no se tienen valores medidos.

La amplitud de la corriente de retorno de la descarga electrica atrnosferica es frecuentemente

referida como el parametro mas importante para aplicaciones en ingen.ierfa.

La descarga de retorno (0 return stroke en ingles) es la etapa del fen6meno que tiene mayor

aplicacion en la ingenieria del diserio y proteccion de sistemas electricos y electronicos, ya que

presenta las mayo res magnitudes de corriente electrica entre el centro de carga de la nube y

tierra.

2 7

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. . . . .I

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Registros de magnitud de corriente negativa de retorno del rayo para un area tropical son

presentados por Lee et al. (1979) [7]. Las mediciones se realizaron en Kuala Lumpur, Malasia,

por medic del rnetodo de antena aerea en campo abierto. En esta investigaci6n se desarrollo

un modelo te6rico para la obtenci6n de las corrientes de la primera descarga de retorno del

rayo, a partir de los datos de campo maqnetico obtenidos; en total se registraron 194 medidas

de campo rnaqnetico de la primera descarga de retorno de los rayos presentes en 11

tormentas. Con base en estos datos se estableci6 la distribuci6n de probabilidad acumulada del

valor pico de la corriente de retorno del rayo, y se obtuvo que existe una probabilidad del 50%

de que se presente un valor de corriente pico mayor a 36 kA; aSI mismo, la rata de ascenso de

la corriente, obtenida entre el 10 % Y el 90 % del valor pico, es tipicamente entre 4 y 6 kNjJs

para esta zona.

Posteriormente, Lee et al., realizaron una comparaci6n de los resultados obtenidos, can base

en la distribuci6n de probabilidad acumulada, de Kuala Lampur, con mediciones de otras partes

del mundo; en la Tabla A.3 se muestran las medianas del valor pico de corriente para estas

investigaciones. De acuerdo con esta comparaci6n Lee et al eoncluyen que, en general, existe

una buena concordancia entre los resultados, aunque las medidas fueron hechas por diferentes

metod os. En particular se presenta bastante concordancia entre los resultados obtenidos en

Malasia y los obtenidos par Anderson en Rodesia (actualmente Botswana en Africa central),

regiones tropicales con caracteristicas clirnaticas y geograficas similares.

Tabla A.3. Medianas del valor pico de la corriente de retorno del rayo en diferenteszonas del planeta (Adaptado de Lee et. AI. 1979)

PaisMediana(kA)

Estados Unidos 23

Suiza 30Suecia 30

Polonia 31Malasia 36Brasil 4 3

Rodesia 42Colombia 4 3

1) Monte cachimbo, minas Gerais, Brasil 1996

2) Valor estimado mediante mediciones de campo electrico a menos de100 km y aplicando el modelo MTL. [1]

Los datos de Brasil son el resultado de mediciones realizadas desde 1985 en la estaci6n de

investigaci6n Cachirnbo, localizada 15 km al sur de 8elo Horizonte, capital del estado de Minas

Gerais. Esta estaci6n consta de una torre de 60 m localizada en la punta de un cerro a una

altitud de 1 400 m sobre nivel del mar. La adquisici6n de los datos se hace, a traves de

transformadores de corriente cuyas senates son digitaliz.adas y luego registradas mediante

2 osciloscopios digitales. Los datos analizados para esta norma corresponden a 79 descargas

registradas entre 1985 y 1999 cuyo resumen se presentan en la Tabla A.4 (3-5].

Los datos de mediciones en Colombia corresponden a estudios realizados con diferentes

metod os de medici6n. La amplitud de la corriente de rayo se estim6 mediante mediciones de

campo electrico vertical Ilevadas a cabo en 1995 [9], par media de una antena de placas

paralelas, previamente calibradas en labo ratorio empleando un osciloscopio digital de alta

resoluci6n y equipo de medici6n asociado. Estos datos fueron comparados eon los registrados

por el sensor de tormentas TSS-420 en operaci6n en las instalaeiones de la Universidad

Nacional en Bogota La distancia de impacto se calcul6 mediante la informaci6n suministrada

par la red colombiana de localizaci6n de rayos RECMA, [1].

2 9

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

Tabla A.4. Caracteristicas de rayos medidos en Cachimbo, Brasil

Numsro total de rayos registrados 79

Numero promedia de rayas par ano 7

Incidencia de descargas negativas 64 (81 %)

Incidencia de descargas positivas 13 (16,5 %)

Descargas con polaridad indefinida 2 (2,5%)

Descargas descendentes observadas (conf irmadas) 33 (41,8 %)

Incidencia de descargas negativas descendentes 31 (39,2 %)

Incidencia de descargas posi tivas descendentes 2 (2,5 %)

La evaluaci6n de los otros parametres para Colombia es el resultado de analisis de los datos

de la red colombiana calizacion de rayos RECMA, en ope6n desde 1997, [1.], [2].

parses tropics

(Anderson, et. alqrafica permite

en Zonas Tropic

(CIGRE).

os de probabilidad comparati

en latitudes no tropi

Cachimbo, Estado de

, et. ai, 1979) y Colomde magnitud de corri

rnbia y Rodesia),

los valores dados por

los estimados en cuatro

Gerais, 1996), Rodesia

rres, et. al., 1995). Estaiva de retorno de rayo

a zonas no tropicales

100,0%

80,0%

'0 60,0%

'":.c'"02[L 40,0%

20,0%

10

Corriente p ico de la descarga [kAJ

100

-=- CIGRE (1979)

PAAS. Colombia (1995)

Cachlrnco, Brazil (1993)

Anderson, Rhodesia (1954;

Lee. Malaysia (1979)CIGRE (1979)

Figura A.S.Curva de probabilidad acumulada de corriente de retorno negativa, comparativas entre parses

ubicados en zonas templadas (CIGRE)y ubicados en zonas tropicales

La relaci6n de polaridad es una funci6n del territorio considerado. Esta informaci6n para el caso

calombiano se presenta en la Figura A.7 y Figura A.8.

Valores que aun siguen vigentes en todo el rnundo, para aplicaciones en ingenieria

30

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70

80,------------------------------------------------------,

60

;fi

-; 50'r oE~ 40

o

a. 30

2 0

10

67.28

32.12

Positivas NegativasPolaridad

Figura A.7. Distribuci6n de polaridades promedio multianules (1997- 2001) para

el territorio Colombia no

10 0

9089.9

-,--

80I : . : :C· : ·

~--,::-:-.

O J 70 ~ ~--

'iii'C 60 -- -)

u

0 50 -- c--';_c,

40 -- . . : . .. . 1 . . . " ' • • -

3 0:. :.

2 0

1 01 0 . 1 1 · : , :

01 1 1 ; 1 ' :: : . • .

·c o1 5OJ0(D

76.9

,--70.5

=8,8

I . . . . : . . . . " : . - -~ - - ~r--h--+-------I~::"_

r:---~40.0

- --~-26.3

. , .31,2 29,5

23.1 _p

!~

' - - 1.--- ...

- ~- --.:-- f--158

:-.- - ---

I I I · · · F- , , , . ~ ~

1 1 I I- - - I

c o 0 ~ E Q) , me ';::U : : : J

ell q ; OJQ) OJ '5

~ ellZ " 0-

ell(D (D

ell COJ ~f.)

.2 ui rn

: : : !5 . , ; . ,

o, Cll

OJ

D Positivos D Negativos

Figura A.SDistribuci6n de polaridades promedio multianules (1997- 2001) para

algunas ciudades Colombianas

La polaridad de una descarga electrica atrnosferica para un area considerada (aspectoespacial), puede tarnbien afectar la estrategia de una optima protecci6n contra rayos. Desde

las mediciones realizadas por Berger en las decades del 1950 a 1970, en Monte San Salvatore

(ltalia - Suiza), se ha establecido que la distribuci6n promedia de la polaridad de una descarga

electrica atrnosferica varia entre 90 % y 95 % para polaridad negativa y entre 5 % Y 10 % para

polaridad positiva.

31

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

Sin embargo, resultados de mediciones en diferentes redes de localizaci6n de rayos, como par

ejemplo la NLDN2 de los Estados Unidos, muestran que una considerable proporcion de

descargas en epoca de invierno son de polaridad positive. De los analisis de resultados can

antenas de detecci6n de rayos, tipo DF (direction finding), en la Costa Este de los Estados

Unidos, Orville (1987), reporto un cambio de polaridad en las descargas, como funci6n de la

temporada, con dominio de la polaridad positiva en la temporada de invierno. Orville tambien

reporto un incremento en la mediana de la corriente pico de retorno del rayo para esta

temporada [1].

Sugimoto et. al., en 1994, presentan mediciones de Corriente de Retorno del Rayo durante el

invierno en Japon, siendo este el periodo cuando la actividad de rayos es mas severa,

encontrando una relacion cercana de uno a uno entre las descargas negativas y las positivas,

pero ninguna diferencia estadfstica notable en las magnitudes de corriente

Uman en su libro

aparicion de Rayos

latitudes altas y

realizadas con I

Colombia y can I

los rayos de pol

elevaci6n, dima

la tormenta y peri

Discharge (p.S4) [6] sostiene que I

positiva son aparentemente

s. Sin embargo, en los mas

por el grupo PAAS-UN

de Localizaci6n de Rayos

n no sola mente d

es temporales

condiciones que favorecen la

elevaciones, dimas frlos,

anos de observaciones

niversidad Nacional de

se ha encontrado que

iones espaciales como

iaria de presentacion de

Con base en I

reportar que alg

medido en m

permanece inal

poblacion de l'IIeCIl1J.;-;Sltlira

en el ana 2000, re~.~

~~iPl colombiana, se puede

mo funcion del tiempo,

s negativas - positivas,

ejemplo, que para la

enero a 95 % en junio

Mediante los aal[o!S,tJ'IILlIIJI;ar

de la polaridad

comportamientopolaridad 95 %departamento de 11: ' . .. _ ; ; " ,

de polaridad varia

:rQj!lB2:&qotrabajos de evaluacion

bien, en general el

distribucion tipiea deen la zona sur del

a y Huila, la proporci6n

NOTA metros del rayo ha side obtenido, aeneralJmenht

localizaci6n de rayos. La distr ibuci6n "d"fIiG_torres (descontaminaci6n).

""",;11"'" ones en objelos altos (tarres

valores de la eorriente pieo del

A.3 PARAMETROS MAxlMOS DEL RAYO PARA NIVEL I DE PROTECCION CONTRA

RAYOS - NPR I

Los efectos mecanicos del rayo se relacionan con el valor pica de la corriente (1 ) y la energia

especifica (WIR). Los efeetos terrnicos se relacionan con la energia especffiea (WIR) cuando se

presenta acople resistivo y con la carga (Q) cuando se presentaarco en lainstalacion.

Sobretensiones y arcos peligrosos causados por acoples inductivos estan relaeionados con el

valor medio de la pendiente de la corriente del rayo (dildt).

Ughtning Detection Network

3 2

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

Cada uno de estos para metros (1, Q, WIR, dildt) tiende a dominar en cada mecanismo de falla.

Esto debe tenerse en cuenta al establecer los procedimientos de prueba.

A.3.1 Primera descarga corta y descarga larga

Los valores de J , Q, WIR que se relacianan con efeelos rnecanicos y terrnicos, se determinan a

partir de las descargas positivas (deb ida a que sus valores de 10 % son mucho mayores que loscorrespondientes al 1 % de los valores de las descargas negativas). De la Figura A5 (Iineas 3, 5,

8, 11 Y 14) se pueden asurnir los siguientes valores con probabilidad menor del 10 %, asi:

J = 200kA

Qf/ash = 300C

QCOI""O = 100 C

WIR = 10MJIO

dildt = 2OkAlf..ls

Para un primer impacto de rayo, de acuerdo con la Figura A.1, estos valores dan una primera

aproximaci6n para el tiempo de frente:

Para un impacto de rayo decayendo exponencialmente, la siguiente ecuaci6n aplica para un valor

de carga y energia (T1«T2 ).

Q _ 1 *1*1.eono - 0,7 2

(A.1)

W jR = _ ! _ • _1_. * /2 *T ?

2 0.7 -

(A.2)

Estas ecuaciones, junto con los valores dados arriba, dan una primera aproximaci6n para el valor

del tiempo al 50 %:

(A.3)

Para descargas de larga duracion, su carga puede ser calculada aproxidamente de:

O'arga = Qftash - Ocorto = 200 C (A.4)

Su tiempo de duraci6n, de acuerdo con la Figura A.2, puede ser estimado del tiempo de duraci6n

de la descarga como:

Tlarga = 0,5 s (A .5 )

NOTA Estos valores han sido tornados de lEG considerando que para zona tropical los parametres de polaridadpositiva Bun no han sido publicados.

33

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A.3.2 Oescargas cortas subsecuentes

EI valor maximo del promedio de la pendiente di/dt, que se relaciona con el arco peliqroso

causado por acople inductive, se determina de las descargas cortas subsecuentes negativas

(Debido a que el 1 % de sus valores son mucho mayores que las primeras descargas negativas 0

el correspondiente valor 10 % de las descargas positivas), De la Figura AS (lineas 2 y 15) se

puede tomar el siguiente valor con probabilidad menor del 1%:

1 54 kA (A6)

di/dt 120 kAif.jS (A.7)

Para un impacto corto subsecuente de acuerdo can la Figura A.1, estos valores dan una

primera aproxirnacion p su tiempo de frente:

TI =/(di/dt) = 0,4 us (A .S)

Su tiempo

negativa:

estimado de la subsecuente

A.4

Debido a que los ~~~;~~~i~~~~~~j_~atrno~;felrtll!t1i& .. zona tropical' difieren can

respecto a los de la esfera rodante para

prop6sitos de di determin6 el valor de la

corriente pico nimos para cada NPR

(veanse las T s anteriormente.

Aunque tradiciona I que el de la distancia

de irnpacto aproxi las corrientes m NPR, se tuvo en cuentaque tanto esta d como el punta final la descarga sabre una

estructura depen geometria y dimensi para todos los puntas en

la estructura (esq es, tech a plano, puntas consiguiente, aunque no

es posible establ de dlstancia de impacto as los casas, se puede

implementar la a as segura para el diserio de la , determinada por la

distancia de impacto terreno piano'S' (sin estructuras). 6n brinda mayor seguridad

porque constituye el minimo que puede tomar la distanci irnpacto, ya que la presencia

de estructuras en tierra propicia la formaci6n de lideres ascendentes y por consiguiente aumenta

el valor de esta distancia.

Debido a 1 0 anterior, el radio de I'a esfera rodante se estim6 aplicando la expresi6n propuesta en

el trabajo doctoral [121 para los val ores de corriente pico minima en zona tropical dados en la

Tabla 6 para cada NPR. Dicha expresi6n es la siguiente:

S = 3 .91po78 (A9)

AI comparar los valores de la distancia de impacto para terreno piano'S' con los usados

tradicionalmente para disefio por medio de la expresion S I : : : : : . 1 0 I p o , 6 5 se encuentran valores

apreciablemente mayores para la expresi6n tradicional ' S / , 1 0 cual puede Ilevar a sobrestimar eli

radio de la esfera rodants y como consecuencia disenar un sistema de protecci6n externo de

menor eficiencia a la deseada

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Mayores detalies acerca del tema, se pueden encontrar en la referencia [12].

A.S NIVEL CERAUNICO Y DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA

A.S...1 Variaci6n espacial del nivel ceraunico

EI NC fue evaluado en areas de 30 km2 x 30 km2, encontrandose zonas con valores entre 11 d y

289 d tormentosos ario. La Figura A.9 muestra la variacion de estos valores en la geografia

colombiana para el ario 1999.

8.0

12,0

10,0

6.0

-a

.2 4,0~--'

2,0

0,0

-2,0

-4,0

-78,0 -76.0 -74,0 -72,0 -70,0 -68,0

Longilud

Figura A.9. Mapa de ISO·Niveles ceraunicos para Colombia (Area de 30kmx30 km) -1999

NOTA Este mapa de ISO-Niveles ceraunicos para Colombia fue elaborado por el convenio Universidad Nacional deColombia e Interconexi6n Electr ica SA ESP, con base en el Sistema de Informacion de Descargas de ISA SA ESP,en caso de alguna aciaraci6n favor dirigirse a los autores

3 5

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A.5.2 Densidades tipicas en Colombia

La evaluac.i6n Global de DDT para toda ta geograffa colombiana se hizo para areas de 300 km2

x 300 krn", para un total de 1393 km2x900 krn"; sus resultados se muestran enla Tabla A5 y

Figura A10 Se presentan variaciones en valores desde 0,0012 hasta 11.4, con un valor de

media aritmetica de 3 [strckes/krrr-afiol.

Tabla A.S. Actividad de rayos en la geogra.f ia colombiana entre 1977-1999.Area = 1393x900 km2

Respecto a la ev

sitios del mundo,sub-tr6pico [11].

se pueden enc

35 [stro .

propositos de d

traves de los datm_1IRlI

4.0

2.0

{),O Ecuador

- z . o

8rilsil

-7~,O -76.0 7 · 4 . 1 J -72,Q -70;CI -se.o ·65.0

Figura A.10, DDT Colombia 1999 (areas 300 km2 x 300 km2)

Longilud

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Tabla A.6. Densidad de descargas a tierra para algunas ciudades de Colombia

Ciudad Latitud LongitudDensidad

promedio

Barranquilla 10,9 -74,8 1

Cartaqena 10,5 -75,5 2

Corozal 9,3 -75,3 3

EIBanco 9,1 -74,0 10

Magangue 9,3 -74,8 5

Monteria 8,8 -75,9 2

Quibdo 5,7 -76,6 9

Santa Marta 11,1 -74,2 2

Tumaco 1,8 -78,8 1

Turbo 8,1 -76,7 5

Valledupar 10,4 -73,3 2

Riohacha 11,5 -72,9 2

Armenia 4,5 -75,8 2

Barranca 7,0 -73,8 7

Bogota 4,7 -74,2 1

Bucararnanea 7,1 -73,1 1

Cali 3,6 -76,4 1

Cucuta 7,9 -72,5 1

Girardot 4,3 -74,8 5

lbaque 4,4 -75,2 2

Ipiales 0,8 -77,6 1

Manizales 5,0 -75,5 2

Medellin 6,1 -75,4 1

Neiva 3,0 -75,3 1

Ocana 8,3 -73,4 2

Pasto 1,4 -77,3 1

Pereira 4,8 -75,7 4

Popayan 2,4 -76,6 1Remedios 7,0 -74,7 12

Villavicencio 4,2 -73,5 1

Bagre 7,8 -75,2 12

Sarnana 5,4 -74,8 9

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ANEXO B

(Informativo)

FUNCIONiES DE LOS PARAMETROS DEL RAVO PARA PROPOSITOS DE.ANALISIS EN EL

DOMINIO DEL TIEMPO

Las formas de onda de corriente (T 1 /T 2 ) para:

La primera descarga 10/350 I - l S

Las descargas subsecuentes cortas 0,4/50 I - l S

Pueden ser definidas como:

;;;

(6.1 )

en donde

I

k

Los parametros d~"~~

18 descarga SUbSEK;YSnltf l

Figura B.1 y la F r-t . .. .. .. . · . ..

la primera descarga y

LalS.·CJW'ViRf·.~~liticas se muestran en la

Las descargas DU';:oem ser descritas par f~"ll't'Iao

promedio 1una ....WCYU T10rgn de acuerdo con la

La densidad de C;"I"'IIIUtu...o

analiticas.

derivada de las curvas

Tabla B.l, Parametres para la ecuaci6n B.1

Primera descarga Oescargas subsecuentes

Parametres NPR NPR

I II III-IV I II III-IV

J (kA) 200 150 100 75 56 38

k 0,941 0,941 0,941 0,981 0,981 0,981

1:1 (I-IS) 9,43 9,43 9,43 0,354 0,354 0,354

TZ (us) 471 471 471 70,45 70,45 70,45

38

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100 %

50 %

0%4-------------==~-L----------_+------------------~

t~

~-------------T2--------------

Figura B.1. Forma de onda dela pendiente de la descarga de corriente

50 %

0% ~-----------------T------------------------------~

100 %

50 %

1-

Figura B.2. Forma de onda de la cola de la descarga de corriente

3 9

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10',-----------------------------------------,

4

(MHz)

r 10'+--2-.....:::...,------

4

10t

40

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ANEXO C

(Informativo)

SIMULACION DE LOS PARAMETROS DEL RAVO PARA PROPOSITOS DE PRUEBA

C.1 INTRODUCCION

Si un objeto es impactado por un rayo, la corriente del rayo circula por el mismo. Cuando se

ensayan elementos de proteccion individuales, debe tenerse en cuenta la escogencia de

parametres de prueba apropiados para cada componente. Finalmente, debe ser realizado un

analisis del comportamiento del SIPRA.

C.2 SIMULACION DE LA ENERGiA ESPECIFICA DE LA PRIMERA DESCARGA CORTA Y

LA CARGA DE UNA DESCARGA LARGA

Los parametres de prueba estan definidos en las Tablas C.1 y Tabla C.2; un ejemplo del

generador de pruebas se muestra en la Figura C.1, el cual puede ser usado para simular la

energfa especffica de la primera descarga corta combinada con la carga de la descarga larga.

Las pruebas son hechas para evaluar la integridad rnecanica, comportamiento ante

calentamiento y efectos de fundici6n.

Los parametres de prueba relevantes para la simulacion de la primera descarga corta (corriente

pico J, energia especifica W IR y carga Qs) estan dados en la Tabla C.1. Estos parametres

deben ser obtenidos con el mismo impulse. Este puede ser lIevado a cabo mediante una

aproxirnacion a una exponencial de corriente decreciente con T2 en el rango de 350 J . . I S .

Los pararnetros de prueba relevantes para la sirnulacion de la descarga larga (carga Q I y

duracion T) estan dados en la Tabla C.2

Dependiendo de las pruebas y los mecanismos de dana esperados, las pruebas para la

primera descarga corta 0 la descarga larga pueden ser aplicadas individualmente 0 como unaprueba combinada, donde a la descarga larga Ie sigue la primera descarga corta

inmediatamente. La.s pruebas para el arco de fusion deben ser hechas con ambas polaridades.

Tabla C.1. Pararnetros de prueba para la primera descarga carta

N P RParametres de prueba

I II II-IV Tolerancia

Corriente pico (kA) 2 0 0 150 1 0 0 . : ! :0 %

Carga Omrta (C) 1 0 0 7 5 5 0 . : ! : . 2 0 %

Energia especifica WIR (kJID) 1 0 0 0 0 5 6 2 5 2 5 0 0 . : ! : 3 5 %

Tabla C.2. Parametres de prueba para descargas largas

Parametres de pruebaNPR

ToleranciaI II III-IV

Carga Qlarga 2 0 0 1 5 0 1 0 0 + 2 0 %

Duraci6n T (5) 0 , 5 0 , 5 0 , 5 . : ! : . 1 0

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Interruptor

de inicio L

I~20 ~lF

R,=0,1n

Interruptor

de corto

circuito

r160 kV

tension de

carga UL

La simulaci6n de ~uelrPo eon el numeral C.2

eombinaci6n con la aci6n del numeral C.1.

LGenerador de corriente _Jpara larga descarga

NOTA

Figura C.1. prueba para la simulacion de lay la carga de la descarga

especifica de la primera

La pendiente de

instalados cerca

nte inducidas en lazos

para la simulaci

generadores de mli l iDalusados para

directo de rayo

descarga corta su •• "n

ento de la corriente /J i

P • • ..etI'OS de prueba relevantes

bla C.3. Ejemplos de los

, los cuales pueden ser

'ada eon un impaeto

descarga corta y una

NOTA cola de la corriente no tiene

Para informacion adicional sobre parametres de pruebas simulando los efeetos del rayo en los

componentes de un SIPRA, vease el Anexo D.

Tabla C.3. Ejemplo de generador de prueba para la simulaci6n de la energia especffica de la primeradescarga corta y la carga de la descarga larga

NPRParametres de prueba

I II III-IV Tolerancia

Primera descarga cortai J . i (kA) 200 150 100 :!:_10 %

Ll t (us) 10 10 10 :! :_20%

Oescargas subsecuentes cortasiJ.i (kA) 54 40,5 27 : ! :_10%

iJ.t (us) 0,4 0,4 0,4 :!:_ 20 %

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Figura C.2. Definicion para la pendiente de la corri.ente de acuerdo con laTabla C.3

2 ~H 0,25 o

9 ~H

300 kV

tension de

carqa U L

0,1 n

Generador de corriente

NOTA Los valores aplican para NPR I

Elemento de prueba

Figura C.3. Ejemplo del generador de prueba para la simulaci6n de la pendiente del frente de la pnmera

. descarga corta

43

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2 flH 0,25 n

300 kVtensi6n de

carga UL

Generador de corriente Elemento de prueba

Figura C.4. de prueba para la simulaci6ndescargas subsecuentes

del frente de

NOTA Los

44

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ANEXO D

(Informativo)

PARAMETROS DE PRUEBA PARA SIMULAR LOS EFECTOS DE LOS RAYOS SOBRE

COMPON,ENTES DE UN SIPRA

0.1 GENERAL

Este anexo presenta los parametres basicos para ser usados en un laboratorio para simular los

efeetos de los rayos. EI Anexo D cubre todos los componentes de un SIPRA sujeto a toda 0 a

una gran parte de las corrientes de rayo y debe ser usado conjuntamente con las normas que

espedfican los requerimientos y las pruebas para cada componente especifico.

NOTA Los parametres relevantes para. los aspectos relacionados can el sistema (par ejemplo, para lacoordinacion de dispositivos de protecci6n contra Sobretensiones DPS) no son considerados en este Anexo.

D.2 PARAMETROS DEL RAYO RELEVANTES EN EL PUNTO DE IMPACTO

Los parametres del rayo relevantes que juegan un papel importante en la integridad flsica de

un SIPRA son, en general, la corriente pica I, la carga Q, la energia especifica WIR,la duracion

T y la pendiente promedio de la corriente dildt. Cad a pararnetro tiende a dorninar diferentes

mecanismos de falla como se analizara en la siguiente secci6n. Los parametres del rayo a ser

considerados para prueba son combinadones de estos valores, seleccionados para

representar en laboratorio el mecanismo de Iia falla real de una parte del SI PRA que esta

siendo probado. Los criterios parala selecci6n de las principales cantidades son dados en el

numeral 0.5 ..

La Tabla D.1 presenta los valores maximos de L Q , WIR, T Y dildt para ser considerados en las

pruebas, como una funci6n del nivel de protecci6n requerido.

0.3 REPARTICION 0 PRORRATEO DE CORRIENTE

Los parametres dados en la Tabla 0.1, son relevantes para las corrientes de rave en el punto

de impacto. De hecho la corriente fluye a tierra a traves de mas de un camino, tantos como

conductores bajantes y conductores naturales se presenten en el SIPRA y diferentes servicios

que estan normalmente disponibles entrando a la estructura protegida (tuberias de agua y gas,

redes de comunicaciones y energia, etc.). Para la determinaci6n de 105 parametres de la

corriente real fluyendo en componentes especificas de un SIPRA,la reparticion 0 prorrateo de

la corriente debe ser ten ida en cuenta. Preferiblemente, la amplitud de la corriente y la forma de

onda a traves de un componente en un punto especifico de un SIPRA deben ser evaluadas.

Cuando una evaluaci6n no sea posible, los parametres del rayo pueden ser evaluados por

medio de los siguientes procedimientos.

Para la evaluaci6n de la repartici6n de corriente dentro del SIPRA externo, puede ser adoptado

el factor de configuraci6n kc (vease la NTC4552-3, Anexo C). Este factor da el prorrateo delacorriente de rayo ftuyendo por los conductores bajantes del SIPRA externo bajo las peores

condiciones

45

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Tabla 0 . .1. Resumen de los parametres del rayo para considerar en el calculo de los valores de prueba para los

diferentes componentes de un SIPRA y para diferentes NPR

Componentes

Terminales de

captacion

TerminaJes de

captacicn y

conductores

bajantes

Conexi ones

Puesta a tierra

DPS con spark

gaps

DPS de 6xidos

rnetallcos

Principales

problemasParametres del rayo peligrosos Notas

Dimensionar

con

NTC 4552-3

Dimensionar

por aspectos

rnecanicos y

quimicos

Aplicar I, Qcorto

WIR impulso

simple. T<2ms,

aplicar .6.illIt

pulsos

Deben

exarrunarseambos

aspectos

Deben

considerarse

pruebas

independientes

Las aproximaciones descritas anteriormente son aplicables para la evaluaci6n del valor pica de la

corriente fluyendo por un camino particular a tierra. EI calculo de los otros parametres de la

corriente son evaluados como sigue:

Erosion en el

punto de

acople ( parametales

delgados)

Calentamiento

ohrnico II

III-IV

150

100

II

III-IV

150

100

46

(0.1)

(0.2)

(0.3)

(0.4)

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en donde

Xp valor de la cantidad considerada (corrienle pico fp, carga O p , energia especifica (WIR)p, pendientede la corriente (dlldt)p) relevante para un camino particular a tierra "p" ,

x; valor dela cantidad considerada (corriente I, carga 0, energia especifica (WIR) , pendiente de lacorriente (dildt)) relevante para la corriente total

k: factor de prorrateo de ta corriente

k c factor de prorrateo para el SIPRA externo (vease la NTC 4552-3 Anexo C)

ke , k, factor de prorrateo en presencia de partes conductoras externas y redes de energia 0

telecomunicaciones entrando a la estructura protegida (vsase la NTC 4552-2, laNTC 4552-3, Anexo A).

0.4 EFECTOS OE LOS PARAMETROS DEL RAYO

0.4.1 Efectos termicos

Los efectos terrnicos relacionados con los parametros del rayo son relevantes para el

calentamiento resistivo causado par la circulaci6n de una corriente electrica fluyendo a traves

de un conductor 0 dentro de un SIPRA y par el calor generado en la base de los arcos en elpunto de acople 0 impacto y en todas las partes aisladas de un SIPRA envuelto en el desarrollo

del arco (por ejemplo "spark gaps").

0.4.1.1 Calentamiento resistivo

EI calentamiento resistivo se presenta en cualquier componente de un SIPRA portando una

parte significativa de la corriente del rayo. EI area transversal minima de los conductores debe

ser 10suficiente para prevenir sobrecalentamientos de los conductores y peligros de fuego a su

alrededor. Aoernas de los aspectos terrnicos, tam bien los esfuerzos rnecanicos y criterios de

durabilidad deben ser considerados para las partes expuestas a condiciones atrnosfericas de

corrosi6n. La evaluaci6n del conductor calentado, debido a corrientes de rayo fluyendo, es

algunas veces necesaria cuando los problemas pueden aumentar debido al riesgo de lesiones

personales y de fuego 0 darios por explosi6n.

A continuaci6n se da una guia para evaluar el aumento de la temperatura de los conductores

sometidos al flujo de una corriente de rayo.

Una aproximaci6n analitica se presenta a continuaci6n:

La potencia instantanea disipada como calor en un conductor debida a una corriente electrica es:

(0.5)

La energia terrnica generada por el pulso completo de corriente es, entonces, la resistencia

6hmica del camino del rayo a traves del componente del SIPRA considerado, multiplicado por

la energia especifica del pulso y es expresada en Julios 0 Vatios-sequndos

(0.6)

En una descarga electrica atmosferica las fases altas de la energia especifica del rayo son de

muy corta duraci6n para cualquier calor generado en la estructura y ser disipada

significativamente. EI fen6meno debe ser, entonces, considerado como adiabatico

4 7

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La temperatura de los conductores del SIPRA puede ser evaluada como sigue:

(0.7)

en donde

e - e o

a

WIR

o o

q =

r

cw

e s

cs:

aumento de temperatura de los conductores [K]

coeficiente de temperatura del conductor [ 1 1 K ]

energia especifica de los conductores [J/D]

resistencia 6hmica especifica del conductor a temperatura ambiente [D.m]

En la Tabla D.2

en la ecuaci6n (D

manera de ejemp

fabricados de dif~_~

transversal.

secci6n transversal del conductor [m2]

ffsicos reportados

s.1I!~U La Tabla D.3 presenta, a

peratura de conductores

del area de la seccion

La descarga ti

50 %, aproximadctl ••

efecto piel debe t • • 1 ( i

con componentes

dinamica de los cql~~q>rElstransversal del .......,_.........-

piel al aumentar la IbllrnN~r~t

radon {valor del tiempo al

estas circunstancias, el

SilJ~.~"'I(l~,~~"~~.''_''~.'''I-'~~~ practices asociadospermeabilidad rnaqnetica

(area de la secci6n

~.ttoiatl~ la contribuci6n del efecto

La componente de

descarga de retorno.

Tabla D.2. Caraeteristicas f isieas de materiales t ipicos usados en componentes de un SIPRA

Material

Cantidad Aluminio Aeero templado Cobre Acero inoxidable (*)

P o [D.m) 29.109

120.10-9

17,8_10-9

0,7.10-6

a [ 1 1 K ] 4.10-3 6,5.10-3 3,92.10-3 0,8.103

y [kgfml 2700 7700 8920 8103

8. [ 0C) 658 1530 1080 1500

Co [J/kg] 397.103

272.103

209_103

-

C", [J/kgK) 908 469 385 500

(*) no rnaqnetico. -

Tabla D.3. Aumento de temperatura para eonduetores de dlferentes seectones como una funcion de Wig

48

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N O R M A T ~ C N ~ A C O L O M B ~ N A N TC 4 55 2- 1

Material

Secci6n Aluminio Acero templado Cobre Acero inoxidable (o JTransv.

[mm2] WIR [MJ/!1] WIR [MJIQ] WIR [MJ/Q] WIR [MJIQ]

2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10 2,5 5,6 10

4 - - - - - - - - - - - -

10 5 64 - - - - - 1 69 54 2 - - - -

16 14 6 4 5 4 - 1 1 2 0 - - 5 6 1 43 3 0 9 - - -

25 52 13 2 28 3 2 11 9 1 3 - 2 2 5 1 9 8 9 40 - -

50 1 2 2 8 5 2 3 7 9 6 21 1 5 1 2 2 2 19 0 4 6 0 94 0

100 3 7 12 9 20 3 7 1 3 5 4 5 100 190

(0 ) no maqnetico

0.4.1.2 Dafio en el punto de acople termico

EI dano en el punta de acaple terrnico puede ser observado sobre todas las camponentes de

un SIPRA sobre el cual se desarrolla un areo, por ejemplo sistemas de captacion, vias de

chispa(Spark-Gaps),

etc.

La fusion y erosion del material puede ocurrir en el punta de acople; de hecho, en el area de la

base del arco existe una entrada terrnica alta del arco mismo, asi como una concentraci6n de

calentamiento ohmico debido a la alta densidad de corriente. Mucha de la energia terrnica es

generada en a muy cerca de la superficie del metal. EI calor generada en las inmediaciones del

area base es tan alto que puede ser absorbida par el material por conducci6n y el exceso se

pierde en fusi6n 0 vaporizacion del material 0 es irradiado. La severidad del proceso esta

relacionado con la amplitud de la carriente y la duracion.

0.4.1.2.1 General

Se han desarrallado varios modelos teoricos para el calculo de los efectos terrnicos en el punto

de acople del canal de la descarga sabre superficies metallcas, En aras de lograr simplicidad,este documento presenta solamente el modele de caida de tension anode - 0 - catodo. La

aplicaci6n de este modelo es particularmente efec1iva para metales delgados. En todos los casas

los resultados son conservativos, debido a que el modele postula que toda la energia inyectada

en el punto de acople de la descarga es usada para fusionar 0 vaporizar el material conductor,

despreciando la difusi6n de calor dentro del material. Otros modelos introducen la depend enc ia

del dana en el punta de acople de la descarga en la duraci6n del impulso de la corriente.

0.4.1.2.2 Modelo de caida de tension Anodo - 0- Catodo

La enerqia de entrada W en la base del arco se asume como dada por la caida de tensi6n

anodo-catodo Uacmultiplicada por la carga Q de la corriente del rayo.

( 0 . 8 )

Como Ua.c es practicarnente constante en el rango de corriente considerado aqui, la carga de la

corriente de rayo (Q) es la principal responsable por la conversion de energfa en la base del

arco.

La caida de tension en el anodo-catodo Uac tiene un valor de pocas decenas de voltios,

4 9

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Una aproxirnacion simplificada asume que toda la energia desarrollada en Ia base del area es

usada solo para fusion. La siguiente eeuaci6n (0.9) usa esta suposicion pero tleva a una

sobreestimaci6n del volumen fusionado.

(0.9)

en donde

v volumen del metal fusionado [ml

Ua,c = calda de tensi6n anodo-catodo (asumida como constante) [V]

Q ;;: carga de la corriente del rayo [C]

materiales us;ad'o$

Basicamente, la c : i :1

iiMii:ll

continua del rayo!:~_.

son de menor im~lW~

e,

y

acion, para diferentes

e$1~. de retorno y la corriente

~:nar.f)ifi." ' idfij[qile.. s de la carga de retorno

n1~~a:t:on(;fOs:~~__ ~'Nfl~~~ije~ contin ua.

Los efectos mElcamcldS causados par Ia {y,''ri.nt. daL:nMi f : • . d_enclJen de la amplitud y su

caracteristicas elasti '. ica afectada y de las

IL;IlJl'L...L'L_ ndo entre las partes de can otro, si este ultimo

ndo corrient.e 0 si uno de los

es relevante.

Las fuerzas rnaqneticas ocurren entre 2 conductores

conductores forma una esquina 0 un lazo.

Cuando una corriente fluye a traves de un circuito, laarnplltud de las fuerzas electrodinarnicas

desarrolladas en varies sitios del circuito, depende tanto de la amplitud de la corriente del rayo

como de la configuraci6n geometrica del circuito. Los efectos mecanicos de estas fuerzas, siembargo, dependen no solo de su amplitud, sino de la forma general de la corriente y su

duracion, as! como de la confiquracion geometriea de la instalaci6n.

D.4.2.1.1 Fuerzas electrodi namicas

Las fuerzas electrodlnamicas desarrolladas par una corriente i fluyendo dentro del conductor

que tiene una longitud paralela 1 y una distancia d (lazo largo y pequerio) se muestran en la

Figura 0.1 y pueden ser calculadas usando la siguiente ecuaci6n:

50

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()1i0l I -7 .2 I

F t =_., c/l·- =2·10 '1 d/-2 J [ d d

(0.10)

en donde

F(l) fuerza electrodinarnica [N]

corr iente [A]

~III permi tividad rnaqnetica del aire (4TT10·7HIm)

I: longitud de los conductores [m]

d distancia entre la secci6n recta paralela del conductor [m]

i--

d

d

I P -i

I a - I

Figura D.1. Arreglo genera.1de dos conductores para el calculo de fuerzas electrodinarnicas

Un tipico SIPRA consta de un arreglo simetrico de conductores, formando un anqulo de 90° uno

con otro, con una abrazadera colocada cerca de la esquina, como se muestra en la Figura D.2. EI

diagrama de esfuerzos para esta configuraci6n se presenta en la Figura D.3. La fuerza axial

sobre el conductor tiende a halar el conductor hacia fuera de la abrazadera. EI valor numerico

de la fuerza a 10largo del conductor horizontal, considerando un valor de corriente pico de 100 kA y

una longitud de un conductor vertical de 0,5 m, se muestra en la Figura DA.

51

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I'

F

Figura 0.3. Diagrama de los esfuerzos para la configuraci6n de la Figura 0.2

5 2

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60,-----------------------------------~

70

60

50

40

30

20

10

o+-----~------_.------._------._----~

0,1 0.2 0.3 0,4 0,5

L m

NOTA Valor pica de corriente 1OOkA Y longitud vertical del conductor Q.5m.

Figura 0.4 Fuerza par unidad de longitud a 10 largo del conductor horizontal

de la Figura 0.2

0.4.2.1.2 Efectos de fuerza Electrodinamicas

En termlnos de amplitud de la fuerza aplicada, el valor instantaneo de la fuerza

electrodinarnica, F(I}, es proporeional al cuadrado de la corriente instantanea m/. En terrninosdel esfuerzo desarrollado dentro de la estructura rnecanica del SIPRA, expresado por el

producto art) *k de la deformaci6n elastica a(t). por la constante elastica k de la estructura del

SIPRA, dos efeetos deben ser considerados. La frecuencia rnecanica natural (vinculado eon el

comportamiento elastico de la estructura del SIPRA) y la deforrnacion permanente de laestructura del SIPRA, (relacionada con su comportamiento plastico) son los para metros mas

importantes. Adicionalmente, en muchos casos el efecto de las fuerzas de frieci6n dentro de la

estructura es de granimportancia.

La amplitud de las vibraciones de la estructura elastica del SIPRA causada por una fuerza

electrodinarnica desarrollada por la corriente del rayo, puede ser evaluada por medio de

ecuaciones diferenciales de segundo orden; el factor clave a este respecto es la relacion entre

la duracion del impulso de corriente y el periodo de la oscilacion natural de la estructura del

SIPRA. La condicion tipica encontrada en un SIPRA consiste de periodos de oscilaci6n natural

de la estructura mucho mayores que el de la fuerza aplicada (duracion del impulso de

corriente). En este caso el maximo esfuerzo rnecanico ocurre despues de que termina el

impulso de corriente y tiene un valor pico que se mantiene mas bajo que el de la fuerza

aplieada y puede, en muchos cases, ser despreciada.

La deformaci6n plastica ocurre cuando el esfuerzo extensible supera el limite elastico del

material. Si el material de la estructura del SIPRA es blando. como el aluminio 0 el cobre

recocido, las fuerzas electrodinarnicas pueden deformar los conductores en las esquinas y

lazos. Los componentes del SIPRA podrian, entonees, ser disenados para soportar estas

fuerzas y mostrar eseneialmente un eomportamiento elastico.

53

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EI esfuerzo rnecanico total aplicado a la estructura de un SIPRA depende de la integral de

tiempo de la fuerza aplicada y, por 1 0 tanto, de la energia especifica asociada con el impulso de

corriente, pero tam bien de la forma de onda del impulso de la corriente y su duraci6n

(comparada can el perfodo de la oscilacion natural de la estructura). Toda esta influencia de

parametres debe, entonces, ser tenida en cuenta durante las pruebas.

0.4.2.2 Danos por ondas de choque acusticas

Cuando una corriente de rayo fluye en un arco, se produce una onda de choque. La severidad

del choque depende del valor pico de la corriente y la rata de aumento de la corriente.

En general, el dana debido al valor de la onda del choque acustlco es insignificante en partes

metalicas del SIPRA, pero puede causar danos en componentes eercanos.

presion de Int,::.rt,:>"'II.·lIII.

presion de inespecifica y, por Ided);1

En la practica

calentamiento

ablandar los

rnecarucos como terrnicos

tes del material (varillas, 9

rrir darios mucho may

conductor podria fundiion transversal d

simultanearnente. Si el

etc.) es suficiente para

dane que puede ocurrir

r danos considerableses suficiente para portar

ridad mecanica,

0.4.3

18111_ :1::nambientes inflamables;

ch~.IS}I.'o son importantes.

_:urI(l' ._iJo·I;J8I'!ISIOlaa de corriente y una

tilu'ft\i;~", esta unida a la energiaes·_)Pl1I.I;Jt)_~rga de retorno.

Las chispas por tA'l''lAiI~h

ejemplo dentro nion, si la tensi6n inducida

entre partes del tension inducida es proporcio

por la pendiente de rriente del rayo. La componente

para la chispa por tensi es, entonces, la descarga negativa

r caminos complejos, por

ex~~cle la tension disruptiva

ntw..etancia mutua multiplicada

de la componente del rayo

ente.

0.5 COMPONENTES DE UN SIPRA, PROBLEMAS RELEVANTES Y PARAMETROS DE

PRUEBA

Los SIPRA son hechos de diferentes componentes, cada uno con una funcion especifica

dentro del sistema. La naturaleza de los eomponentes y el esfuerzo especifico al cual ellosestan sometidos, requieren consideracion especial cuando se realizan pruebas de laboratorio

para examinar su comportamiento.

0.5.1 Terminal de captacion (Air Terminal)

Los efeetos sobre los pararrayos aumentan por los efectos terrnicos y mecanicos (tal como se

discute en el numeral D.5.2, notando que una alta proporcion de la eorriente del rayo fluira en

un conductor de pararrayos impactado) y tarnbien en algunos casas par efectos de erosion por

el arco, particularmente en componentes naturales de un SIPRA como metales delgados

54

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(donde pueden oeurrir perforaeiones 0 aumento exeesivo de la temperatura en la superfieie) y

eonduetores suspendidos.

Para efeetos de erosi6n por arcos, se deben considerar dos parametres de prueba

principalmente: la earga de la desearga de larga duraei6n y $U duraci6n.

La earga gobierna la energfa de entrada en la base del arco. En particular las descargas de

larga duraei6n pareeen ser las mas severas para este efeeto, mientras que las deseargas de

eorta duraei6n pueden ser despreciadas.

La duraei6n de la corriente tiene un importante papel en el fen6meno de la transferencia de

calor dentro del material. La duraei6n de la corriente aplieada durante las pruebas debe ser

comparable con las descargas de larga duraei6n (0,5 a 1 s).

0.5.2 Conductores bajantes (Down Conductors)

Los efeetos causados por impactos de rayos sobre los conductores pueden ser divididos en 2

eategorias:

Efeetos termicos debido a calentamiento resistivo

Efeetos rnecanicos relaeionados con la interaeci6n maqnetica donde la eorriente del

rayo es compartida por conductores coloeados cerea uno de otro 0 euando se presentan

eambios en la direcci6n de la eorriente (curvas 0 eonexiones entre conductores

colocados en un anqulo dado respecto a otro)

En muchos easos estos dos efeetos actuan independientemente y las pruebas de laboratorio

deben ser IIevadas a acabo para examinar cada efecto. Esta aproximaci6n puede ser adoptada

en todos los casos en los cuales el calor desarrollado por la corriente fluyendo no modifica

substancialmente las caracteristicas mecanicas.

0.5.2.1 Calentamiento resistivo

Los calculos y las medidas del calentamiento de los eonduetores de diferentes secciones

transversales y materiales causado por el flujo de una corriente de rayo, ha side publicada por

varios autores y el principal resultado en terrnincs de qraficos y formulas se resume en el numeral

0.4.1.1. Ninguna prueba de laboratorio es, entonces, necesaria, en general, para examinar el

comportamiento de un conductor desde el punto de vista del aumento de temperatura.

En todos los casos para los cuales se requiere pruebas de laboratorio. las siguientes

consideraciones deben ser tenidas en cuenta.

Los principales parametres de prueba a ser considerados en este caso son la energia

especifica y la duraci6n del impulso de corriente.

La energfa especifica gobierna el aumento de temperatura debido al efeeto Joulecausado por el flujo de la corriente de rayo. Los valores nurnericos a ser considerados

son aquellos relevantes a la primera descarga. Los datos conservatives son obtenidos

considerando descargas positivas.

La duraci6n del impulso de corriente tiene una influencia decisiva en el proceso de

intercambio de calor respecto al ambiente eircundante del conductor considerado. En

muchos casos la duraci6n del impulso de eorriente es tan corta que el proceso de

calentamiento puede ser considerado adiabatico.

5 5

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0.5.2.2 Efectos mecanicos

Como se discuti6 en el numeral 0.4.2.1 las interacciones rnecanicas son desarrolladas entre

conductores que lIevan la corriente del rayo: la fuerza es proporcional al producto de la

corriente que fluye por los conductores (0 el cuadrado de la corriente si se considera un solo

conductor doblado) y el inverso de la distancia entre conductores.

La situaci6n normal en la cual puede ocurrir un efecto visible es cuando un conductor forma unlazo 0esta doblado. Cuando tal conductor transporta una corriente de rayo, este estara sometido

a una fuerza rnecanica que trata de extender el lazo y a enderezar la esquina y, por 1 0 tanto a

doblarlo hacia fuera. La magnitud de esta fuerza es proporcional al cuadrado de la amplitud de la

corriente. Se debe hacer una clara distinci6n entre la fuerza electrodinarnica, la cual es

proporcional al cuadrado de la amplitud de la corriente, y el correspondiente esfuerzo que

depende de las caracteristicas elasticas de la estructura mecanica del SIPRA. Para estructuras

de un SIPRA de relati ·a frecuencia natural, el esfuerzo rrollado dentro de la estructura

del SIPRA podria blemente menor que la fuerza inarnica. En este case,

ninguna prueba de necesaria, en general, para el comportamiento de un

conductor d desde el punto de vista ientras se satisfagan los

transversal de la prese

io (especialmente para

idas en cuenta. Tres

adas en este caso: la

B1ll_IO de sistemas rfgidos, la

materiales

parametres de I

duraci6n, la ene

amplitud de la cor

La duraci6n del im~.~

de la estructura di;a~'A

desplazamiento.

rnecanica natural

I impulso es la oscilaci6n mecaruca

1MH-.ullllcturadel SIPRA ( ' G . I i I• • ~~el.l_~EM"~li4r1~ de un SIPRA esforzadas), la masa y la ene de desplazamientos

esfuerzos rnecan nan esencialmente a la

es~*lInc~ del impulso de la pulso de corriente tiene

impulso es comparable con, 0 periodo de la oscilaci6n

de la estructura, el desplazaml es mas sensible a la

forma de onda esfuerzo aplicado: en este caso el ico del impulso de corriente y

su energfa especffica necesita ser reproducida durante la prueba.

La energfa especifica del impulso de la corriente gobierna el esfuerzo que causa la

deformaci6n elastica y plastics de la estructura del SIPRA Los valores nurnericos a ser

considerados son aquellos que son relevantes para la primera descarga.

Los valores rnaximos del impulso de la corriente gobiernan la longitud del maximo

desplazamiento de la estructura del SIPRA, en caso de sistemas rigidos, teniendo altas

frecuencias naturales de oscilacion. Los valores nurnericos a ser considerados son aquellos

relevantes para la primera descarga.

0.5.3 Conexiones

Las conexiones entre conductores adyacentes de un SIPRA son puntos rnecaniccs y terrnicos

vulnerables donde pueden presentarse grandes esfuerzos.

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En el caso de un conector colocado de tal manera que hace un anqulo recto con otro

conductor, el principal efecto del esfuerzo tiene que ver con fuerzas mecanicas que tienden a

enderezar el conductor con fuerzas de friccion interactuando entre los componentes con

posibles desarrollos de arcos en los puntas de contacto de las diferentes partes.

Adicionalmente, el efecto de calentamiento causado per la concentraci6n de corriente sobre

pequenas superficies de contacto no es despreciable.

Pruebas de laboratorio han mostrado que es dificil separar eada uno de los efectos que se dan

como un sistema sinerqico: el esfuerzo rnecanico se ve afectado por fusiones locales del area

de contacto, desplazamientos relativos entre partes de la conexi6n estimula el desarrollo de

areos y la consecuente generaci6n intensa de calor, etc.

Ante la ausencia de un modele valido, las pruebas de laboratorio deben ser elaboradas de tal

forma que representen los parametres del rayo 1 0 mas cercano posible a una situaci6n critica:

los parametres del ray a deben ser aplicados por medio de una prueba electrica sencilla.

Tres parametres deben ser considerados en este caso: la corriente pica, la energia especifica y

la duracicn del impuso de la corriente.

Los vala res rnaximos del impulsos de la corriente manejan la fuerza maxima 0, si despues deun impulso electrodinarnico que excede la fuerza de fricci6n, la langitud del maximo

desplazamienta de la estructura de un SIPRA. Los valores nurnericos a ser considerados son

aquellos que son relevantes para la primera descarga. Los datos conservativos san abtenidos

considerando descargas positivas.

La energia especifica del impulso de la corriente maneja el calentamienta de las superficies en

contacta, donde la corriente esta concentrada sobre areas pequerias. Los valores nurnericos a

ser considerados son aquellos relevantes para la primera descarga. Los datos conservativos

son obtenidos considerando descargas positivas.

La duraci6n del impulse de corriente maneja el desplazamiento maximo de la estructura,

despues de que las fuerzas de fricci6n son exeedidas y tienen un importante papel en el

fen6meno de transferencia de calor dentro del material.

0.5.4 Puesta a tierra de proteccion contra rayos

Los problemas reales con los electrodos de puesta a tierra estan relaeionados con la corrosion

qufmica y los dafios mecanicos causados por otras fuerzas electrodinarnicas. En casas

practices, la erosion del electrodo de puesta a tierra en el origen del arco es de menor

importaneia. Sin embargo, debe considerarse que, contrario a los pararrayos, un SIPRA tlpico

tiene varias puestas a tierra, por tanto, las corrientes de rayo se eomparten entre varios

electrodos que causan efeetos menos importantes.

Dos parametres importantes de prueba deben ser considerados en este caso: la carga del

impulso de corriente de larga duraci6n y su duracion.

La carga maneja la energia inicial del origen del areo. En particular, la contribuei6n de la

primera descarga puede ser despreciada, mientras los impactos de larga duracion parecen ser

los mas severos para este componente.

La duraci6n del impulso de corriente tiene un impartante papel en el fen6meno de transferencia

de calor dentro del material. La duraci6n del impulso de corriente aplieado durante las pruebas,

debe ser comparable con las descargas de larga duracion (0,5 s a 1 s).

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0.6 DISPOSITIVOS DE PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES (DPS)

EI efecto del esfuerzo sobre un DPS causado por rayos depende del tipo de DPS considerado,

en particular con la presencia 0 ausencia de espacios (Gap).

0.6.1 DPS que contienen espacios (Spark Gaps)

Los efectos sobre Spark Gaps causados por rayos pueden ser divididos en dos grandes

categorias:

La erosion de los electrodos por calentamiento, fusion y vaporizaci6n del material.

Los esfuerzos rnecanicos causados por la onda de choque de la descarga.

Es extremadamente d

con los principales

investigar separadamente estos <>f<>,.,t,.,<:>,mbos estan relacionados

del rayo por medio de relaci plejas.

Para Spark Gaps

10 mas aproxim

parametres ap

boratorio deben ser realizad I forma que representen

metros del rayo en la mas critica: todos los

cados por medio de un •• jz o electrico simple

Cinco param<>tnn<:>r.-

energia especifi

EI valor pico de

a ser consideradlc)l~" a~1:fittil.~~,..~ .. * 1 a t . 1 ~

__ Ie. Los valores nurnericos

eS~*4iJl1tllLos datos conservativos

considerados

corriente de larg!" ..,~-=."l'

configuraci6n del $ t I t e n ' t i a

y vaponzara parte del

aR:o:~J,tM,~valores numericos a ser

rticular, la carga de la

, dependiendo de la

la corriente maneja el f~IiM'rlAnn

consiguiente propaqacion

La energia espec impulso de la corriente ma 'on auto maqnetica del

arco y la fisica del del electrodo desarrollada se entre la superficie del

electrodo y el arco, al puede apagar por soplado una significante de material

fusionado. Los valores nurnericos a ser considerados son aquellos relevantes de la primera

descarga. Los valores conservativos son obtenidos considerando las descargas positivas.

NOTA Para Spark Gaps usados en sistemas de patencia, la posible frecuencia industrial de la corriente constituyeun importante factor de esfuerza a ser tenido en cuenta.

0.6.2 DPS construidos con oxides metallcos

EI esfuerzo de varistores rnetalicos causado par rayos puede ser dividido en dos principales

categories sobrecarga y flameo. Cada categorfa esta caracterizada por modos de falla

generados por diferentes fen6menos y manejados por diferentes parametres. La falla de un DPS

de oxides rnetalicos esta relacionada con sus caracterfsticas debiles, por 1 0 tanto es improbable

que la sinergia entre diferentes esfuerzos fatales pueda ocurrir. Parece entonces aceptable lIevar

a cabo pruebas separadas para examinar el desarrollo bajo cada condicion de falla.

58

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Las sobrecargas son causadas por una cantidad de energia absorbida que excede la

capacidad del dispositivo. La excesiva energia considerada aqui esta relacionada al esfuerza

mismo del rayo; sin embargo, debe considerarse que, para DPS conectados a sistemas de

energia, la corriente inyectada al dispositlvo por el sistema de energia, despues de terminar

el fluja de corriente 0 par inestabilidad termica bajo la tension aplicada relacionada can el

eoeficiente negativo de temperatura de la caracteristiea tension-corriente de la resistencia,

puede tarnbien jugar un papel importante en el dana letal del DPS.

Para la simulaci6n de la sobrecarga de varistores de oxides metalicos un pararnetro importante

a ser considerado es la carqa.

La carga maneja la energia inicial en el bloque de resistencias de oxides rnetalicos,

considerando como una constante la tensi6n residual del bloque de resistencias. Los valores

nurnericos a ser considerados son aquellos relevantes a la primera descarga.

Los flameos y fracturas son causadas par la amplitud del impulso de corriente que excedela

capaeidad de las resistencias. EI modo de falla es evidenciado generalmente par un flameo

externo a 11 0 largo del collar de resistencias, algunas veces penetrando el bloque causando una

fractura 0 un orificio perpendicular al collar. La falla esta principalmente relacionada con un

calapso dielectrico del collar del bloque de resistencias.

Para la simulaci6n del fen6meno del rayo, se deben considerar principalmente dos para metros:

el valor maximo y la duraci6n del impulse de la corriente.

EI valor maximo del impulso de la corriente determina, a traves del correspondiente nivel de

tension residual, si la rigidez maxima dielectrics sobre el collar de resistencias es excedida. Los

valores numericos a ser eonsiderados son aquellos relevantes a la primera descarga. Los datos

conservativas son obtenidos considerando descargas positivas.

La duraci6n del impulse de la corriente maneja la duraci6n de la aplicacion del esfuerzo

dielectrico del collar de resistencias.

0.7 RESUMEN DE LOS PARAMETROS DE PRUEBA A SER ADOPTADOS ENPRUEBAS DE COMPONENTES DE SIPRA

La Tabla 0.1 resume los aspectos mas criticos de cada componente de un SIPRA durante el

comportamiento de su funci6n y da los para metros del rayo a ser reproducidos en pruebas de

laboratorio.

Los valores numericos dados en la Tabla D.1 son relevantes a los para metros del rayo de

importancia en el punto de impacto.

Los valores de prueba deben ser calculados considerando la corriente compartida la cual

puede ser expresada par medio del factor de corriente compartida como se explica en el

numeral 0.3.

Los valores numericos de los parametres a ser usados durante las pruebas pueden, entonees,

ser caleulados sobre la base de los datos dados en la Tabla D.1, aplicando los facto res de

reducci6n relacionados can la corriente compartida, como esta expresada en la f6rmula

reportada en el numeral 0.3.

5 9

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ANiEXO E

(Informativo)

SOBRETENSIONES DEBIDAS A IMPACTOS DE RAYOS EN DIFERENTES

PUNTOS DE LA INST ALACION

E.1 GENERALIDADES

Para el dimensionamiento de los conductores, DPS y otros dispositivos, el peligro debido a

sobretensiones en alqun punto de la mstalacion 0 de sus componenles puede ser

determinado. Las sobretensiones se pueden oriqinar par corrientes (parciales) de rayo y par

efeetos de inducci6n en lazos existentes dentro de la instalaci6n. EI peligro debido a estas

sobretensiones debe ser menor que la rigidez dielectrica de los componentes usados en la

proteccion (Ia rigidez es nida en pruebas adecuadas para . disposltivo).

Si

externas y lineas

E . .2 IDAS A IMPACTOS A (FUENTE DE

rminales del sistema de

a por medio de DPS

(E.1)

ncional de puesta aaereas, en los casas

10(enterramientos).

·.ulht." ....aneas, 0 la resistencia

···n!!:InP·C;: aereas se encuentren

Para cada tipo de instalaci6n, ke se puede calcular como:

instalaciones subterraneas: (E.2)

instalaciones aereas: (E.3)

60

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en donde

Z es la impedancia convencional de los terminales de conexi6n del sistema de puesta a t ierra

Z, es la impedancia convencional de puesta a tierra de partes externas 0 de lineas subterraneas

(Tabla E.1).

Z 2 es la resistencia de la configuraci6n de puesta a tierra de las lineas aersas. Si la resistencia depuesta a tierra del punta no es conocida, el valor de Z1 mostrado en la Tabla E.1 puede ser usado(donde la resistividad es relevante en el punto de puesta a tierra).

NOTA Este valor es asumido en la formula anterior en cada punto de puesta a tierra. Si este no es el caso,ecuaciones mas complejas deben ser usadas.

III es el nurnero total de partes externas 0 lineas que son subterraneas

/12 es el numero total de partes externas 0 lineas que son aereas

es la corriente de rayo relevante para cada NPR considerado

Tabla E .1 Valores de impedancia convencional de puesta a tierra Z y Z, de acuerdo con laresistividad del suelo.

z[n]

p Zl Impedancia convencional de puesta a t ierra relativa a cada

[O·m] [0] NPR

I II III-IV

5100 8 4 6 10

200 11 10 10 10

500 16 4 6 10

1000 22 15 15 15

2000 28 4 6 103000 35 20 40 60

NOTA Los valores reportados en esta tabla hacen referencia a la impedancia convencional de

puesta a tierra de un conductor enterrado, bajo una onda impulso (10/350~s)

Asumiendo como una primera aproxirnacion que la mitad de la corriente de rayo fluye en los

terminales de conexi6n del sistema de puesta a tierra y que Z,=Z2, el valor de ke puede ser

evaluado para una parte externa conductora a para una linea como:

(EA)

Si las lineas entrantes (ej. lineas electricas a de telecomunicaciones) no se encuentran

apantalladas a dentro de ductos metalicos. cada uno de los n' conductores Ilevan una parte

igual de la corriente de rayo

k': = kee 11 '

(E.5)

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siendo n' el numero total de conductores.

Para lineas apantalladas afianzadas a la entrada, los valores de corriente por cada n' conductor

de la acometida apantallada esta dado por:

(E.6)

en donde

Rs es la resistencia ohrnica por unidad de longitud del apantallamiento

Rc es la resistencia 6hmica por unidad de longitud del conductor interior

NOTA 'mar el efecto del apantaHamiento en conducci6n de la corriente de rayoel cobre y la pantalla.

rayo en las lineas de

Para calculos d

la sobretensi6n:

y la forma de onda de

ente y las caracteristicas

.~l IiP~ - .~_~~~!f!!!tm. una impedancia de N muchosJ.,_:ariM ida par el conductor N yel otro

. L1. L2 Y L3 tienen la misma;tdIiI'\'II!nIA Jatl_nalmliOn dAN1r1F1p.ntp. (25 % cada uno).

sf"(Jl{!n.ortl"; lJ)!M~m:Jnfluenciar la reparticion de

tl'~nstom"lof.'_El·p:rot~9gido con DPS);

tierra del! trasformador y

...,.. .'''"', ticion de corriente (a

.~r""..",,,, '. .~ fluye al sistema de baja

usuarios en paralelo ocasionan una reducci6n de la impedancia efectiva del sistema de

baja tension, 10cual puede incrementar la porci6n de la corriente de rayo que fluye en

dicho sistema.

E.3 SOBRETENSIONES RELACIONADAS CON ACOMETIDAS DE SERVICIOS

CONECTADAS A LA ESTRUCTURA

E.3.1 Sobretensiones debidas a impactos en la acometida de servicios (Fuente de dana

53)

Para impactos directos en la acometida de servicios, la particion de la corriente de rayo en

ambas direcciones de la acometida y la faJla del aislamiento deben ser tenidas en cuenta.

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La seleccion del valor de limp puede basarse en valores dados en la Tabla E.2 donde los valores

usuales de limp estan asociados con los niveles de proteccion contra rayos NPR

Tabla E.2. Sobrecorrientes esperadas debidas a Impactos de rayo

Sistema de Baja Tension Uneas de Telecomunicaciones

Impacto en la Impacto Cerca de, 0 Impacto en la Impacto Cerca de, 0cerca de la cerca de laacometida de

acometida deenla acometida de

acometida deen la

servicloservicro

estructura servicioservicio

estructura

Fuente de Fuente de Fuente de Fuente de Fuente de Fuente de

dana S3 dana S4 dana S1 0 S2 dano S3 dana S4 dana S2

NPR(impacto (impacta (corriente (impacto (impacto (corriente

directo) indirecto) inducida solo directo) indirecto) inducida)

para S1)

Forma de Forma de Forma de Forma de Medida: Forma de

onda: onda: onda: onda: 5/3OOfls onda:

1 0 J 3 5 0 f l s 8/20ps 10/350flS 10/350).15 (estimada: 8/20~lS

8J20~lS)

( k A ) (kA) (kA) ( k A ) ( k A ) ( k A )

III-IV 5 2,5 0,1 1 0,01 (0,05) 0,05

I - II 10 5 0,2 2 0,02 (0,1) 0,1

Para llneas apantalladas, los valores de las sobrecorrientes dados en la Tabla E.2 pueden ser

reducidos en un factor de 0,5.

NOTA Esto se hace asumiendo que la resistencia de la pantalla es aproximadamente igual a la resistencia enparalelo de todos los conductores de la acometida de servicio.

E.3.250bretensiones debidas a impactos cerca de la acometida de servicio (Fuente de

dana 54)

Las sobretensiones relacionadas can impactos eerea de la acometida de servicio tienen menorenergia que aquellas asociadas eon impactos en la acometida de servicio (fuente de dana 83).

Valores de sobrecorriente esperados, asociados eon un especffieo NPR son dados en la Tabla E.2.

Para lineas apantalladas los valores de la sobrecorriente dados en la Tabla E.2 pueden

reducirse en un factor de 0,5.

E.4 50BRETEN510NES DEBIDA5 A EFECT05 INDUCTIV05 (FUENTE DE DANO 51 0 52)

Las sobretensiones debidas a eteetos inductivos de campos rnaqneticos, generados par

impaetos de rayos cereanos (fuente de dana S2) 0 por corrientes de rayo tluyendo en DP8

externos 0 del apantaliamiento espacial en una ZPR 1 (fuente de dario 8,), tienen una forma de

onda de corriente ttpica 8 / 2 0 ~ s Tales sobretensiones deben ser consideradas eerca de 0 en

los terminales de los dispositivos ubicados dentro de una ZPR1 yen los limites de una ZPR 1/ 2.

E.4.1 Sobretensiones dentro de una ZPR1 no apantallada

Dentro de una ZPR 1 no apantallada (Ej. protegida solo par un SIPRA externo de acuerdo con

la NTC 4552-3 con espaciamiento mayor a 5 m) altas sobretensiones, relativamente, puede ser

esperadas debidas a los efeetos de induccion de los campos maqneticos no atenuados.

Las sobrecorrientes esperadas, asociadas con un nivel NPR especifico son dadas en la Tabla E.2.

63

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E.4.2 Sobretensiones dentro de zonas ZPR apantalladas

Dentro de ZPR con un adecuado espacio de apantallamiento (requiere de un espaciamiento

menor a 5 m de acuerdo con la normatividad nacional vigente 0 en su defecto la norma

IEC 62305-4 0 los documentos normativos IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 0 la normatividad

UIT serie K), la generaci6n de sobretensiones debidas a efectos de inducci6n por campos

maqneticos es fuertemente reducida. En tales casos, las sobretensiones son mucho menores

que las obtenidas en elliteral E.4.1.

EI efecto de inducci6n dentro de una ZPR1 es mucho menor debido al efecto de atenuaci6n del

campo en el espacio apantallado.

La sobretension dentro una ZPR2 es fuertemente reducida debido al efecto en cascada de

ambos espacios de apantallamiento de la ZPR1 y la ZPR2.

E.5 RAL RELACIONADA CON DPS

Para evitar que

sobretensiones

acometidas de se

ser originados por

edificacron, 0 en sus

licos) , al igual que parincendios, explosiones

•• "tEmcializar las acometidas

de servicios,

Los lineamie

aislamiento; por

deben tener defin •• ~

de acuerdo con

la Tabla E.3.

~~[ijos de coordinacion de

•• ~._rtt4~·~M~~ie espI3ciMl_~:lJs metodos de rnitiqaclon

~'rii¥~1 basico al impulso (BIL)

De"lIK:lI!lretension se presenta en

Categoria I

Las tecnicas para el control de sobretensiones transitorias son:

1) ABSORCION. Es la conversion irreversible de energia de una onda electrornaqnetica, en

otra forma de energia (normalmente calor) como resultado de la interacci6n con el

material que absorbe. EI material es la causa de la conversi6n.

2) AISLAMIENTO. Es la separacion de dos 0 mas superficies conductoras por medio de un

dielectrico (incluyendo el aire), ofreciendo una alta resistencia al paso de la corriente.

3) APANTALLAMIENTO. Es la instalacicn de elementos metalicos que se insertan alrededor

de los dispositivos que se desean proteger contra los efectos de un campo. EI

apantallamiento actua absorbiendo 0 refiejando parte de la energia contenida en un

campo.

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4) CONEXIONES DEL SISTEMA DE PUESTA TIERRA. Es la aplicacion de conceptos

estandarizadas para el diserio e instalacion de las puestas a tierra y de la red equipotenciaL

5) EQUIPOTENCIALIZAR. Es la acci6n de Interconectar partes conductoras yf o conductores

activos con el sistema de puesta tierra por medio de conductores electricos y/o dispositivos

de proteccion contra sabre tensiones transitorias para lIevarlas a la minima diferencia de

potencial y asl propender por la seguridad.

6) FILTRAR. Es la modificaci6n de las componentes de frecuencia de una serial mediante un

disposit ive que se coloca entre los terminales de un circuito electrico.

7) MINIMIZAR LAZOS INDUCTIVOS. Es la aplicaci6n de los conceptos de cableados (de

potencia y de telecomunicaciones) de manera que se reduzca la inductancia de los

circuitos de modo diferencial y de modo cornun.

La equlpotencializacion depende en gran medida de la ccmbinacion de las tecnicas que se

apliquen en cada instalacion. A continuacicn se presentan algunos aspectos que se deben

tener en cuenta para su selecci6n e instalacion.

a) Reducir los efectos de la corriente del rayo, encerrando los cables con superficies

rnetalicas, las cuales deben ser conectadas con el sistema de puesta a tierra.

b) Reducir los efectos inductivos, instalando apantallamientos localizados y ubicando los

cableados apropiadamente.

c) Instalar barrajes equipotenciales - BE para conectar todas las pantallas de cables,

estructuras rnetalicas, entre otros, con el sistema de puesta a tierra.

d) Conectar los conductores actives con el BE, mediante la aplicacion de dispositivos de

proteccicn contra sobre tensiones transitorias - DPS. Las caracteristicas de los DPS

deben ser coordinadas con relacion a la energia requerida (vease la normatividad

nacional vigente 0 en su defecto la norma IEC 62305-4 0 los documentos normativos

IEEE C62.41-1 e IEEE C62.41-2 0 la normatividad UIT serie K).

e) En las acometidas de servicio los DPS se deben conectar entre los conductores activos

y la puesta a tierra 0el conductor de puesta a tierra para equipos.

f) Para instalaciones electricas, el nivel de proteccion de los DPS debe ser menor que el

nivel basi co de aislamiento BIL dado para la Categoria " de la Tabla 11. La maxima

tension de operacion continua debe ser mayor 0 igual a 1,1 veces la tension nominal

maxima del sistema.

g) En caso de falla del DPS, la capacidad de cortocircuito del DPS junto con sus

mecanismas internos 0 externos de protecci6n, debe ser igual 0 mayor que la maxima

corriente de cortocircuito esperada en el node de la instalacion.

Los parametres tecnicos minimos para. especificar un DPS son: tensi6n nominal, maxima

tension de operacion continua, nivel de proteccion en tension y la corriente nominal de

descarga.

La tension nominal del DPS debe estar de acuerdo con 1 0 establecido en la NTC 1340 para

corriente alterna y con la IEC 38 para corriente directa. As! mismo se debe tener en cuenta que

el regimen de conexi6n a tierra mas utilizado en el sistema colombiano es el TN C-S, de

acuerdo con la convencion de normas IEC. Vease la Figura 4.

65

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

F

EQUIPO

N

PEN PE

en donde

TNCS sistema con el neutro puesto a tierra

descarga debe 5

P E

impulso para la que esta

corriente nominal de

Por acuerdo

NOTA Los val(vease la NTC 2

de conexon de la acometida

NOTA Vease I

6 6

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ANEXO F

(Normativo)

GUiA GENERAL DE SEGURIDAD PERSONAL DURANTE TORMENTAS ELECTRICAS

Durante una tormenta electrica son evidentes los peligros a los que se exponen, no solo las

edificaciones y los sistemas electricos y electronicos, sino las personas. Es par ella que se

deben conocer algunas recomendaciones para tener en cuenta durante una tormenta, evitando

riesgos para las personas.

EI riesgo de ser alcanzado por un rayo es mayor entre las personas que trabajan, juegan,

caminan 0 permanecen al aire libre durante una tormenta electrica

En la zona central colombiana (Cundinamarca, Antioquia, Boyaca, Santander, Caldas, Quindio,

Risaralda, Valle del Cauca y los llanos) la actividad de rayos es mas intensa durante los meses

de abril, mayo, octubre y noviembre; en la zona caribe colombiana (Atlantico, Magdalena,

Sucre, Cordoba, Guajira) durante los meses de julio y agosto y en la zona sur (Amazonas,

Cauca y Putumayo) durante los meses de diciembre y enero.

La actividad de rayos se presenta generalmente en las tres zonas descritas entre las 2 y las 6

de la tarde y en algunas zonas especiales como el Magdalena Media en horas de la noche y en

la madrugada.

Cuando se tenga indicios de tormenta electrica es recomendable, como medida de protecci6n,

tener en cuenta las siguientes instrucciones:

Aterrice y proteja adecuadamente los equipos sensibles de uso electrico, eJectr6nico,

teletonico 0 de comunicaciones contra sobretensiones de acuerdo can los criterios y

recomendaciones presentadas en esta norma, de 1 0 contra rio desconectelos retirando el

enchufe del tomacorriente evitando as! el usa de elias.

Busque refugio en el interior de veh iculos, edificaciones y estructuras que ofrezcanproteccion contra rayos

A menos que sea absolutamente necesario, no salga al exterior ni permanezca a la

intemperie durante una tormenta electrica.

Permanezca en el interior del vehiculo, edificaci6n 0 estructura hasta que haya

desaparecido la torments.

Protejase de los rayos en:

Contenedores totalmente metalicos.

Refugios suhterraneos.

Autom6viles y otros vehiculos cerrados can carrocerla rnetalica.

Viviendas y edificaciones con un sistema adecuado de protecci6n contra rayos.

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Estos sitios ofrecen poca 0 ninguna protecci6n contra rayos:

Edificaciones no protegidas alejadas de otras viviendas.

Tiendas de carnpana y refugios temporales en zonas despobladas.

Vehfculos descubiertos 0 no metalicos.

Alejese de estos sitios en casa de tormenta electrica:

Terrenos deportivos y campo abierto.

Piscinas, playas y lagos"

transmisi6n electrica, cables a

s, mall as eslabonadas y vallas

de perforaei6n, etc.

nta:

un arbol solitario.

No coloque las manos sabre el suela, col6quelas sabre las rodillas

Adoptela posici6n de cuclillas.

Para comprooar que estas recomendaciones de la guia se conviertan en acciones preventivas

se presenta a continuaci6n una lista de verificaci6n que puede ser implementada y evaluadaperi6dicamente para tamar los correctives que sean necesarios. Si las respuestas SOil

afirmativas en todos los casas se puede concluir que se estan tomando las medidas adecuadas

para la protecci6n del personal.

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552·1

PREGUNTA R E S P U E S T A

i_Durante una tormenta electrica se evita que haya personal trabajando al aire libre?

i_Durante una tormenta electrica se evita que haya personal caminando al aire libre?

i_Durante una tormenta electrica se evita que haya personal que permanece al aire Iibre?

i_Durante una tormenta electrica permanece el personal, denlro de vehiculos y

edificaciones?

.:_Duranteuna tormenta se evita la cercania del personal a terrenos deportivos y campo

abierto?

LDurante una tormenta se evita la cercania a piscinas, playas, lagos?

LDurante una tormenta se evita la cercania a lineas de transrntsion, redes y subestacioneselectricas?

LDurante una tormenta se evita la cercania a torres de comunicaciones?

LDurante una tormenta se evita escampar en arboles solitarios?

LDurante una tormenta se evita la cercania a vias de ferrocarril, oleoductos y ductos

rnetalicos?

i_Se aleja al personal durante una tormenta, de mallas eslabonadas, cercas, vallasrnetalicas, tendederos de ropa?

i_Seevita que el personal se acerque durante una tormenta, a grandes tanques rnetalicos?

.:_Duranteuna tormenta se aleja al personal de las partes alias?

LSe evita el uso de vehiculos no rnetalicos ante una tormenta?

LSe utilizan contenedores totalmente metalicos, como refugio ante tormentas?

LSe utilizan refugios subterransos en caso de tormenta?

LSe utilizan automoviles y otros vehiculos cerrados con carrocerla, como refugio ante

tormentas?

LSe evita acostarse en el suelo mientras se esta presentando una tormenta?

LSe evita colocar las manos en el suelo mientras se esta presentando una tormenta?

LSe juntan los pies mientras se esta presenlando una tormenta?

LSe adopta la posicion de cuclillas par el personal que se encuentra aislado, mientras seesta presenlando una tormenta?

i_Seevita la cercanla de arboles cuyas ramas estan proxirnas a redes electricas?

i_Sedesconectan los aparatos electricos cuando se inicia una tormenta?

LSe desconectan los equipos telefonicos cuando se inicia la tormenta?

LSe evita el uso de aparatos electricos en el momenta de la torrnenta?

LSe evita el uso de aparatos electrorucos en el momento de la torments?

LSe evita el uso de aparatos telefonicos en el momento de la tormenta?

LSe evita el contacto con cables, alarnbres, tuberia rnetalica de agua, energia, gas, etc"durante una torrnenta?

TOTAL RESPUESTAS ( S i )

Porcentaje acciones positivas

6 9

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

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NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 4552-1

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71

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~~~

ICONTECINHRNATIONAl

-- -

COLOMB' IA INTERNACIONALES

B O G o r A M A . N I . Z A L E S C H I L E H O N D U I I . A S

C ar r e r a 3 7 N o. 5 2 - 9 5 C a l le 2 0 N o 2 2 - 2 7 C a l l e A g u s t o L e g u i a N o . . 1 0 0 C o lo n ia L o s R o bl e s

Teletono: ( 1 ) 6 07 8 8 8 8 E d if ic i o C u m a n d a y O f 806 O fic in a 3 06 P is o 3 , L as C a nd es c as a N o . 3402 ( 1 5 )

F a x: ( 1 ) 2 2 2 14 3 5 I e le to no : ( 6 ) 8 8 4 5 1 7 2 S a n t ia g o d e C h i l e Cornayaquela, H o n d u r a s

b o g o t a @ i c o n t e c . o r g F a x : ( 6 ) 89 7 2 2 2 1 T e l e fo n a : ( 5 6 2 ) 6 5 7 8 9 0 8 T e le fo n o : ( 5 0 4 ) 9 9 2 3 5 2 3 9

m a n i z a l e s @ i c o n t e c . o r g F a x: ( 56 2 ) 2333484 h a n d u r a s @ j c o n t e c . o r g

M E D E L L i N Ic h i l e @ l c o n t e c . o r a

B A R R A N Q U I L L A

C a r r e r a 54 N o . 7 4 - 6 8 T ra ns v er s a l 5 0 N o . 39 - 1 9 1

T e h H o n o (5) 3 6 0 6 69 B I e le f on o: ( 4 ) 3 1 9 8 0 2 0 C O S T A R I C A N I C A 'R A G U A

F a x ( 5 ) 3 6 0 6 6 9 B F ax : ( 4 ) 3 1 4 0 37 8 1 00 m e tr o s E s le d e P o z u e lo . H a sp . L en n in F o n se c a

b a r r a n g u i l l a @ i c o n t e c . o r a m e d e l li n @ i c o n t e c . o r g L a U ru c a . S a n J o s e . 1 c ua d r a a l S u r,

C a s t a R i c a . R e s i d en c i a l V ic to ri a N O . 3

B U [ ; A R A M A N G A N E I V AE d i f i c io C o rp or a c i o n F o n t M a n a g u a

C a l l e 4 2 N o .. 2 8 - 1 9 C a r r e r a 5 N o . 10 - 3 8I e l e t o n o : ( 5 0 6 ) - 2 9 6 9 9 2 1 T e h l f o n o : ( 5 0 5 ) 2 6 6 2 3 0 9

Telsfono: (7 ) 6329828 T e l € t o n o : (8 ) 8 71 3 6 6 6 & to 15 2 F a x : ( 5 0 6 9 - 2 2 0 1 85 4 n i c a r a g u a @ j c o n t e c . o r g

F ax : ( 7 ) 64 5 2 0 9 B F a x (8 ) 8 7 1 3 6 6 6 E x t . 0c o s t a r ic a @ i c o n t e C . o r g

b u c a r a m a n g a @ i c o n t e c . o rg n e i v a @ i c o n t e c . o r g

C A L I P E R E I R A E C U A D O R P A N A M A

A ~ _ 4A N o r t e N o . 45 N - 30 C a ll e 1 7 NO.7 - 12 O f ic in a 9 0 2 A v . D e lo s S h y r i s 4 1 -1 5 1 e A v R i c a r d o J. A l f a r o ,

I ele fo no ; (2 ) 6 6 4 0 1 2 1 E d if i c io C e n tr o E m p re s ar ia l P e re ir a I s la F lo re a n a 7 Piso O f ic in a 7 07 E d l f i c i o T h e C e n tu ry T ow e r

F ax : ( 2 ) 6 64 1 55 4 T e l : ( 5 7 ) ( 6 ) 3 2 4 1 1 0 0 E d i f l c io A x l o s a u~ o • E c u ad or P i s o 3, O f i c in a . 3 0 6 . P an am a

c a l i @ i c o n t e c . o r g F a x: ( 5 7 ) (6) 3 2 4 1 7 8 4 T e l e to no : ( 5 93 -2 ) - 2277686 R e pu b l i c a d e P a n am a

p e r e l ra @ i c o n t e c . o rg F a x : ( 5 9 3- 2 ) -2 4 6 3 3 8 4 T e l e f o n o : ( 5 0 7 ) - 2 . 6 0 9 0 5 1

e c u a d o r @ i c o n t e c . o rg F a x ( 5 0 7 ) 2602400

C A R T A G E N A P O P A y A N Q a n a m a @ i c o n t e c . o rgA v e ni d a V e n ez u e la C a r r e r a 7 N o . 4 - 3 6

C a l l e 35 B - 05 E d i f i c lo C a m a r a d e

E d i f i c io C I 1 i b an k O f ic in a 8 G cornerco d e l C a u c a E L S A L V A D O R P E R U

t e l e t c n o : 3 1 1 - 2 6 2 3 0 0 6 I s l e f o n o : (2) 6 2 4 3770 B o u le v a rd S u r . U r b an iz a c ib n la s P e r d i c e s N o . 2 2 5 N o . 2 0 4

c a r t a g e n a @ i c o n t e c . o r g J l .Q Q a y a n @ i c o n t e c . o rg S a n ta E le n a, Editicio E b e n Em , D is tr i t o d e S a n I si d ro , P ro vn c i a y

Plso 3. A n t i g u a cuscanan Depto. d e L im a . L im a 27 . P e n i

I B A G U Ec u e U T A E I S a lv a d or Teleform: ( 5 1 1 ) 4 4 0 1 1 69

C a r r e r a 5 N o . 29 - 3 2 C a l l e 1 0 N o . 4·38 T o r r e B I e l e t n n o : ( 5 0 3 ) 2 2 8 9 5 7 1 2 F a x : ( 5 1 1 ) 4 4 0 1 1 6 9

C e n tr o C o m a rc ia l T e l: ( 7 ) 5 8 2 5 0 8 8 E x t 3 2 7 e l s a l v a d o f@ i c o n t e c _ M Q p e r u @ i c o n t e c . o r g

L a Q u in ta . L o ca l 3 0 0T e l : (8 ) 2 6 4 8 2 7 0 , B A R R A N C A B E R M E J A

F a x : ( 8 ) 2 6 5 5 6 1 1 C a l l e . . 4 9 N o . 1 2 - 7 0 piso 2

i b a g u e @ i c o n t e c . o r g E d if i c io C a m a ra de Corncrcio G U A T E M A L A R E P U B L I C A D o M IN I C A N AT el : ( 7 ) 6 22 8 8 0 0 4 A v. 1 9 - 26 Z o n a 14. G u a t e m a la A v . A b r a h a m L i n c o l n .

I ele tn no : (5 02 ) 2 3 8 1 5 8 8 5 N o . 1 0 0 4 S a n to D om in go

P A S T O A R M E N I A F a x : ( 5 0 2 ) 2 3 8 1 5 8 8 5 R e p u b l i c a O o m in i c a n a

C a l l e . 18 N o. 2 8 • 8 4 . P i s a 2 C a r r e r a 14 N o . 23 - 1 5 . P is o 2 g u a t e m a l a @ i c o n t e c . o r g Ieletono: (1 809) 5 654 309

E d i f i c io C a m a r a d e C o m e r c i o E d if i c io C a m a ra de C o m e r c i o F a x : (1 8 90 ) 7 32 9 2 0 7

T e l : ( 2 ) 7 31 0593 Ieletone: ( 6 ) 7 4 1 1 42 3 r e ( l u b l icadnrni nican a @ i c o n t e c . o rg

F a x : ( 2 ) 7 3 1 0 5 9 3 F a x : ( 6 ) 7 41 1 4 23

( l8 s 1 o @ i c o n t e c . o rg a r m e n i a @ i c o n t e c . o r g

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